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基于面內(nèi)復(fù)合模態(tài)的直線超聲電機(jī)振子有限元分析
DOI栽貨出錮塍t基于面內(nèi)復(fù)合模態(tài)的直線超聲電機(jī)振子有限元分析張鐵民，秦勇，劉仁鑫（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州510642）張鐵民一種新型的矩形壓電復(fù)合板直線超聲電機(jī)它除了具有直線超聲電機(jī)的共同特點(diǎn)之外，還具有自身的薄、小、輕、驅(qū)動(dòng)力大等突出特點(diǎn)，可直接用于計(jì)算機(jī)硬盤磁頭驅(qū)動(dòng)等外設(shè)裝置。該矩形壓電復(fù)合板直線超聲電機(jī)利用矩形壓電復(fù)合振子平面內(nèi)的兩種彎、彎振動(dòng)模態(tài)合成。在一定預(yù)緊力作用下，矩形板的兩側(cè)邊將產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力使動(dòng)子移動(dòng)。本文通過ANSYS有限元分析軟件對矩形壓電復(fù)合振子進(jìn)行了詳盡的模態(tài)分析，分析討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)及彈性體材料對于矩形壓電復(fù)合層板模態(tài)的影響，為利用面內(nèi)復(fù)合模態(tài)的矩形壓電復(fù)合板直線超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
超聲電機(jī)是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)使振子產(chǎn)生高頻（超聲波）振動(dòng)而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子（或滑塊）運(yùn)動(dòng)的一種新型電機(jī)。它與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比有著完全不同的原理和結(jié)構(gòu)，因而具有一些電磁電機(jī)所沒有的特點(diǎn)，如：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，電機(jī)形狀可靈活變化（如圓柱形的、球形的、中空形等）功率密度大；低速大扭矩，不用齒輪箱而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載；響應(yīng)快、控制性能好；與磁場無緣，不受外來電磁干擾，它本身亦不產(chǎn)生電磁干擾；具有良好的斷電自鎖能力；振動(dòng)和噪聲低等。目前超聲電機(jī)已廣泛應(yīng)用于國防、科技和工業(yè)領(lǐng)域。直線超聲電機(jī)則是通過壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（60273065）和廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（010316）資助摩擦傳動(dòng)將電能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，相應(yīng)的移動(dòng)體稱作動(dòng)子。通常直線電機(jī)的振子由壓電陶瓷與彈性體復(fù)合而成，或者單獨(dú)由壓電陶瓷構(gòu)成振子。按直線超聲電機(jī)振子的動(dòng)作方式可將其分為兩種，如果振子作為直線電機(jī)的動(dòng)子則稱為自行式，如果振子作為直線電機(jī)的定子，則稱為他動(dòng)式。直線超聲電機(jī)除了具有超聲電機(jī)的特點(diǎn)外，還具有無需運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來小型、高速、大推力直線超聲電機(jī)在半導(dǎo)體工業(yè)和精密定位裝置中有著廣泛的應(yīng)用，成為國內(nèi)外超聲電機(jī)研究的熱點(diǎn)11計(jì)算機(jī)產(chǎn)品正向小型化、輕型化及薄型化方向發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬磁盤在尺寸上的發(fā)展也非常迅速。從1980年的14英寸、8英寸發(fā)展到現(xiàn)在的5.25英寸、3.5英寸直到1.8英寸。計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的小型化、輕型化及薄型化要求擔(dān)負(fù)著精密控制和驅(qū)動(dòng)功能的微特電機(jī)向更小、更輕、更薄以及高效率、高精度、低振動(dòng)、低噪聲等方面發(fā)展，電機(jī)小型化對計(jì)算彈性體箱體導(dǎo)軌調(diào)整墊片機(jī)產(chǎn)品整機(jī)小型化起著十分關(guān)鍵的作用。
本文提出了一種新穎的小型直線超聲電機(jī)自行式矩形壓電復(fù)合板直線超聲電機(jī)，它除了具有直線超聲電機(jī)的共同特點(diǎn)之外，還具有自身的薄、小、輕、驅(qū)動(dòng)力大等突出特點(diǎn)，可直接用于計(jì)算機(jī)硬盤磁頭驅(qū)動(dòng)等外設(shè)裝置。該電機(jī)復(fù)合振子（以下簡稱復(fù)合振子）可直接與計(jì)算機(jī)磁頭組件做成一體，從而可以直接實(shí)現(xiàn)磁頭的直線運(yùn)動(dòng)，使傳動(dòng)系統(tǒng)具有體積變小、結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度更快、定位更準(zhǔn)確、位置分辨率更高以及不產(chǎn)生電磁場等優(yōu)點(diǎn)，滿足現(xiàn)代信息行業(yè)計(jì)算機(jī)硬盤等外部設(shè)備的磁頭驅(qū)動(dòng)要求，適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的需要。
1電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理L1電機(jī)結(jié)構(gòu)箱體導(dǎo)軌壓電陶瓷為該矩形板直線超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，復(fù)合振子的兩側(cè)邊與軌道接觸，在一定預(yù)緊力作用下，復(fù)合振子與導(dǎo)軌之間將產(chǎn)生摩擦力，該摩擦力將驅(qū)動(dòng)振子沿導(dǎo)軌移動(dòng)。
構(gòu)示意圖。它由壓電陶瓷片和金屬彈性體粘接而成，分上下兩層，上層為壓電陶瓷片，下層為金屬彈性體，其中金屬彈性體兩側(cè)邊開有矩形槽，以放大兩側(cè)邊的微觀運(yùn)動(dòng)，提高復(fù)合振子的移動(dòng)速度。
12原理分析復(fù)合振子結(jié)構(gòu)示意圖在一定頻率激勵(lì)下，經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇，在復(fù)合振子面內(nèi)將同時(shí)產(chǎn)生兩種彎曲振動(dòng)模態(tài)，如（a）和（b）所示，與軌道相接觸的復(fù)合振子兩側(cè)邊質(zhì)點(diǎn)經(jīng)運(yùn)動(dòng)合成后，其質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢如（c）所示，復(fù)合振子面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)模態(tài)復(fù)合的一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)過程如所示，在一定的預(yù)緊力作用下，將使復(fù)合振子的兩側(cè)邊與兩導(dǎo)軌之間產(chǎn)生摩擦力，復(fù)合振子在摩擦力的驅(qū)動(dòng)下，沿著導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)若將磁頭與復(fù)合振子做成一體，磁頭將沿著導(dǎo)軌方向做直線運(yùn)動(dòng)。圖中虛線為復(fù)合振子處于原始狀時(shí)的尺寸。
面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)模態(tài)原理示意圖矩形板壓電陶瓷鑒于壓電陶瓷較脆V易斷裂的特點(diǎn)，該直線超聲電機(jī)的振子采用由金屬彈性體和壓電陶瓷粘結(jié)而成的復(fù)合層板，其中金屬彈性體用于提高振子的強(qiáng)度和剛度，壓電陶瓷用做振子的驅(qū)動(dòng)器。
為了能夠改變振子的移動(dòng)方向，將壓電陶瓷分為兩個(gè)對稱區(qū)，沿厚度方向同向極化，如所示。分別在矩形壓電陶瓷片的兩個(gè)極化區(qū)施加相位差90°、同一頻率（大于20kHz）的高頻高壓交流電，振子就可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，如果在矩形壓電陶瓷片的兩個(gè)極化區(qū)交換輸入信號，就可使振子反向運(yùn)動(dòng)。
2矩形板振子有限元模型及邊界條件為了同時(shí)激發(fā)出矩形板平面內(nèi)兩種振動(dòng)模態(tài)，必須設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對矩形壓電復(fù)合板直線超聲電機(jī)振子進(jìn)行模態(tài)分析，為此，首先采用AN SYS7.0有限元分析軟件建立復(fù)合振子的有限元計(jì)算模型。
為利用ANSYS7矩形板振子有限元模型0有限元分析軟件構(gòu)建的彈性體材料對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響復(fù)合振子寬度W對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響0壓電陶瓷厚度H對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響矩形板直線超聲電機(jī)振子的有限元模型，根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以確定復(fù)合振子的邊界條件如下：振子與導(dǎo)軌接觸的兩側(cè)邊受壓力作用，前后側(cè)邊自由。
通過對電機(jī)振子有限元模型構(gòu)建和電機(jī)原理分析，利用ANSYS70確定面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)模態(tài)，如所示。
復(fù)合振子面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)3復(fù)合振子結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)對面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻率的影響在電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)確定的情況下，復(fù)合振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)的能否正常工作有著至關(guān)重要的影響，基于前述的原理分析，必須研究復(fù)合振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料參數(shù)對于面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)模態(tài)的影響，以便設(shè)計(jì)合理的復(fù)合振子的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，在同一頻率下，同時(shí)激發(fā)出兩種面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)，實(shí)現(xiàn)振子的直線運(yùn)動(dòng)。
復(fù)合振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要如下：L為彈性體長（壓電陶瓷長）W，為壓電陶瓷寬；H為壓電陶瓷厚；W為彈性體寬；為彈性體主體厚；為矩形槽長；B為矩形槽寬；C為矩形槽厚。W，為了使所設(shè)計(jì)的直線超聲電機(jī)具有薄、小、輕的特點(diǎn)，復(fù)合振子的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍如下：30mm、W‘30mm、1 25mm由此逐一分析彈性體材料和復(fù)合振子尺寸參數(shù)對面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻率的影響。
3.1彈性體材料對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響不同彈性體材料如表1所示。在復(fù)合振子的其它結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)一定的條件下，利用ANSYS7 0有限元分析軟件計(jì)算不同彈性體材料對平面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻率的影響，如所示。
表1不同彈性體材料參數(shù)材料密度彈性模量泊松比黃銅紫銅鋁鋼1鋼2從可以發(fā)現(xiàn)彈性體采用鋁、鋼時(shí)，模態(tài)1和模態(tài)2的頻率很高，且均在80ffiz以上，而彈性體采用銅時(shí)，兩模態(tài)頻率相對要低，在60kHz左右。在相同情況下彈性體為黃銅時(shí)復(fù)合振子的共振頻率最低，由于復(fù)合振子的共振頻率越高，則電機(jī)的工作頻率也相應(yīng)越高，那么將導(dǎo)致電機(jī)的輸出功率下降，并同時(shí)導(dǎo)致電機(jī)的溫度升高，鑒于此，該種直線超聲電機(jī)復(fù)合振子的彈性體材料選擇黃銅為宜。
32復(fù)合振子長度L對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響選取彈性體材料為黃銅，在復(fù)合振子的其它結(jié)構(gòu)尺寸一定條件下，長度L對平面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻率的影響，如所示。
內(nèi)彎曲模態(tài)1的頻率/隨長度L的增加而增加，復(fù)合振子長度L對平面而面內(nèi)彎曲模態(tài)2的頻內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響率隨長度L的增加而減小，長度L的變化對面內(nèi)兩種彎曲頻率的影響完全相反。
33復(fù)合振子寬度W對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響選取彈性體材料為黃銅，在復(fù)合振子的其它結(jié)構(gòu)尺寸一定條件下，復(fù)合振子寬度W對平面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻率的影響，如所示。
曲模態(tài)1和彎曲模態(tài)2的頻率和/2均隨著寬度的增加而減小。
34壓電陶瓷厚度i/對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響選取彈性體材料為612黃銅，在復(fù)合振子的其它‘結(jié)構(gòu)尺寸一定條件下，壓電陶瓷的厚度H對平面>.4內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻率的60影響，如0所示。
曲模態(tài)1和彎曲模態(tài)2的頻率/1和/2均隨著壓電陶瓷厚度的增加而增加。
35彈性體主體厚度H對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響選取彈性體材料為黃銅，在復(fù)合振子的其它結(jié)構(gòu)尺寸一定條件下，彈性體主體厚度對平面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻1彈性體的主體厚度對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響率的影響，如1所示。
曲模態(tài)1和彎曲模態(tài)2的頻率和/2均隨著彈性體厚度的增加而增加。
限元分析對復(fù)合振子進(jìn)行的模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合振子的中心點(diǎn)為振子的節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)可以作為復(fù)合振子與磁頭的連接點(diǎn)。
4結(jié)束語通過ANSYS有限元分析軟件對復(fù)合振子進(jìn)行模態(tài)分析，并對影響振子面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的因素復(fù)合振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及彈性體材料參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示復(fù)合振子的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)以及不同材料的彈性體對復(fù)合振子在面內(nèi)的兩種彎曲振動(dòng)頻率都有著不同程度的影響。其中，復(fù)合振子的長度L寬度W以及彈性體材料對復(fù)合振子在面內(nèi)的兩種彎曲振動(dòng)頻率的影響比較大，而壓電陶瓷厚度和彈性體厚度對復(fù)合振子的這兩種彎曲振動(dòng)頻率影響相對較小。在選擇彈性體材料時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用使復(fù)合振子共振頻率偏低的材料黃銅較好。通過適當(dāng)改變復(fù)合振子結(jié)構(gòu)參數(shù)和選擇合適的彈性體材料，可以設(shè)計(jì)出同時(shí)具有面內(nèi)的兩種彎曲振動(dòng)的復(fù)合振子及其直線超聲電機(jī)。
超聲電機(jī)是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)使振子產(chǎn)生高頻（超聲波）振動(dòng)而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子（或滑塊）運(yùn)動(dòng)的一種新型電機(jī)。它與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比有著完全不同的原理和結(jié)構(gòu)，因而具有一些電磁電機(jī)所沒有的特點(diǎn)，如：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，電機(jī)形狀可靈活變化（如圓柱形的、球形的、中空形等）功率密度大；低速大扭矩，不用齒輪箱而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載；響應(yīng)快、控制性能好；與磁場無緣，不受外來電磁干擾，它本身亦不產(chǎn)生電磁干擾；具有良好的斷電自鎖能力；振動(dòng)和噪聲低等。目前超聲電機(jī)已廣泛應(yīng)用于國防、科技和工業(yè)領(lǐng)域。直線超聲電機(jī)則是通過壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（60273065）和廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（010316）資助摩擦傳動(dòng)將電能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，相應(yīng)的移動(dòng)體稱作動(dòng)子。通常直線電機(jī)的振子由壓電陶瓷與彈性體復(fù)合而成，或者單獨(dú)由壓電陶瓷構(gòu)成振子。按直線超聲電機(jī)振子的動(dòng)作方式可將其分為兩種，如果振子作為直線電機(jī)的動(dòng)子則稱為自行式，如果振子作為直線電機(jī)的定子，則稱為他動(dòng)式。直線超聲電機(jī)除了具有超聲電機(jī)的特點(diǎn)外，還具有無需運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來小型、高速、大推力直線超聲電機(jī)在半導(dǎo)體工業(yè)和精密定位裝置中有著廣泛的應(yīng)用，成為國內(nèi)外超聲電機(jī)研究的熱點(diǎn)11計(jì)算機(jī)產(chǎn)品正向小型化、輕型化及薄型化方向發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬磁盤在尺寸上的發(fā)展也非常迅速。從1980年的14英寸、8英寸發(fā)展到現(xiàn)在的5.25英寸、3.5英寸直到1.8英寸。計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的小型化、輕型化及薄型化要求擔(dān)負(fù)著精密控制和驅(qū)動(dòng)功能的微特電機(jī)向更小、更輕、更薄以及高效率、高精度、低振動(dòng)、低噪聲等方面發(fā)展，電機(jī)小型化對計(jì)算彈性體箱體導(dǎo)軌調(diào)整墊片機(jī)產(chǎn)品整機(jī)小型化起著十分關(guān)鍵的作用。
本文提出了一種新穎的小型直線超聲電機(jī)自行式矩形壓電復(fù)合板直線超聲電機(jī)，它除了具有直線超聲電機(jī)的共同特點(diǎn)之外，還具有自身的薄、小、輕、驅(qū)動(dòng)力大等突出特點(diǎn)，可直接用于計(jì)算機(jī)硬盤磁頭驅(qū)動(dòng)等外設(shè)裝置。該電機(jī)復(fù)合振子（以下簡稱復(fù)合振子）可直接與計(jì)算機(jī)磁頭組件做成一體，從而可以直接實(shí)現(xiàn)磁頭的直線運(yùn)動(dòng)，使傳動(dòng)系統(tǒng)具有體積變小、結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度更快、定位更準(zhǔn)確、位置分辨率更高以及不產(chǎn)生電磁場等優(yōu)點(diǎn)，滿足現(xiàn)代信息行業(yè)計(jì)算機(jī)硬盤等外部設(shè)備的磁頭驅(qū)動(dòng)要求，適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的需要。
1電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理L1電機(jī)結(jié)構(gòu)箱體導(dǎo)軌壓電陶瓷為該矩形板直線超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，復(fù)合振子的兩側(cè)邊與軌道接觸，在一定預(yù)緊力作用下，復(fù)合振子與導(dǎo)軌之間將產(chǎn)生摩擦力，該摩擦力將驅(qū)動(dòng)振子沿導(dǎo)軌移動(dòng)。
構(gòu)示意圖。它由壓電陶瓷片和金屬彈性體粘接而成，分上下兩層，上層為壓電陶瓷片，下層為金屬彈性體，其中金屬彈性體兩側(cè)邊開有矩形槽，以放大兩側(cè)邊的微觀運(yùn)動(dòng)，提高復(fù)合振子的移動(dòng)速度。
12原理分析復(fù)合振子結(jié)構(gòu)示意圖在一定頻率激勵(lì)下，經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇，在復(fù)合振子面內(nèi)將同時(shí)產(chǎn)生兩種彎曲振動(dòng)模態(tài)，如（a）和（b）所示，與軌道相接觸的復(fù)合振子兩側(cè)邊質(zhì)點(diǎn)經(jīng)運(yùn)動(dòng)合成后，其質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢如（c）所示，復(fù)合振子面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)模態(tài)復(fù)合的一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)過程如所示，在一定的預(yù)緊力作用下，將使復(fù)合振子的兩側(cè)邊與兩導(dǎo)軌之間產(chǎn)生摩擦力，復(fù)合振子在摩擦力的驅(qū)動(dòng)下，沿著導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)若將磁頭與復(fù)合振子做成一體，磁頭將沿著導(dǎo)軌方向做直線運(yùn)動(dòng)。圖中虛線為復(fù)合振子處于原始狀時(shí)的尺寸。
面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)模態(tài)原理示意圖矩形板壓電陶瓷鑒于壓電陶瓷較脆V易斷裂的特點(diǎn)，該直線超聲電機(jī)的振子采用由金屬彈性體和壓電陶瓷粘結(jié)而成的復(fù)合層板，其中金屬彈性體用于提高振子的強(qiáng)度和剛度，壓電陶瓷用做振子的驅(qū)動(dòng)器。
為了能夠改變振子的移動(dòng)方向，將壓電陶瓷分為兩個(gè)對稱區(qū)，沿厚度方向同向極化，如所示。分別在矩形壓電陶瓷片的兩個(gè)極化區(qū)施加相位差90°、同一頻率（大于20kHz）的高頻高壓交流電，振子就可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，如果在矩形壓電陶瓷片的兩個(gè)極化區(qū)交換輸入信號，就可使振子反向運(yùn)動(dòng)。
2矩形板振子有限元模型及邊界條件為了同時(shí)激發(fā)出矩形板平面內(nèi)兩種振動(dòng)模態(tài)，必須設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對矩形壓電復(fù)合板直線超聲電機(jī)振子進(jìn)行模態(tài)分析，為此，首先采用AN SYS7.0有限元分析軟件建立復(fù)合振子的有限元計(jì)算模型。
為利用ANSYS7矩形板振子有限元模型0有限元分析軟件構(gòu)建的彈性體材料對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響復(fù)合振子寬度W對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響0壓電陶瓷厚度H對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響矩形板直線超聲電機(jī)振子的有限元模型，根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以確定復(fù)合振子的邊界條件如下：振子與導(dǎo)軌接觸的兩側(cè)邊受壓力作用，前后側(cè)邊自由。
通過對電機(jī)振子有限元模型構(gòu)建和電機(jī)原理分析，利用ANSYS70確定面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)模態(tài)，如所示。
復(fù)合振子面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)3復(fù)合振子結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)對面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻率的影響在電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)確定的情況下，復(fù)合振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)的能否正常工作有著至關(guān)重要的影響，基于前述的原理分析，必須研究復(fù)合振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料參數(shù)對于面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)模態(tài)的影響，以便設(shè)計(jì)合理的復(fù)合振子的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，在同一頻率下，同時(shí)激發(fā)出兩種面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)，實(shí)現(xiàn)振子的直線運(yùn)動(dòng)。
復(fù)合振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要如下：L為彈性體長（壓電陶瓷長）W，為壓電陶瓷寬；H為壓電陶瓷厚；W為彈性體寬；為彈性體主體厚；為矩形槽長；B為矩形槽寬；C為矩形槽厚。W，為了使所設(shè)計(jì)的直線超聲電機(jī)具有薄、小、輕的特點(diǎn)，復(fù)合振子的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍如下：30mm、W‘30mm、1 25mm由此逐一分析彈性體材料和復(fù)合振子尺寸參數(shù)對面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻率的影響。
3.1彈性體材料對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響不同彈性體材料如表1所示。在復(fù)合振子的其它結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)一定的條件下，利用ANSYS7 0有限元分析軟件計(jì)算不同彈性體材料對平面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻率的影響，如所示。
表1不同彈性體材料參數(shù)材料密度彈性模量泊松比黃銅紫銅鋁鋼1鋼2從可以發(fā)現(xiàn)彈性體采用鋁、鋼時(shí)，模態(tài)1和模態(tài)2的頻率很高，且均在80ffiz以上，而彈性體采用銅時(shí)，兩模態(tài)頻率相對要低，在60kHz左右。在相同情況下彈性體為黃銅時(shí)復(fù)合振子的共振頻率最低，由于復(fù)合振子的共振頻率越高，則電機(jī)的工作頻率也相應(yīng)越高，那么將導(dǎo)致電機(jī)的輸出功率下降，并同時(shí)導(dǎo)致電機(jī)的溫度升高，鑒于此，該種直線超聲電機(jī)復(fù)合振子的彈性體材料選擇黃銅為宜。
32復(fù)合振子長度L對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響選取彈性體材料為黃銅，在復(fù)合振子的其它結(jié)構(gòu)尺寸一定條件下，長度L對平面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻率的影響，如所示。
內(nèi)彎曲模態(tài)1的頻率/隨長度L的增加而增加，復(fù)合振子長度L對平面而面內(nèi)彎曲模態(tài)2的頻內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響率隨長度L的增加而減小，長度L的變化對面內(nèi)兩種彎曲頻率的影響完全相反。
33復(fù)合振子寬度W對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響選取彈性體材料為黃銅，在復(fù)合振子的其它結(jié)構(gòu)尺寸一定條件下，復(fù)合振子寬度W對平面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻率的影響，如所示。
曲模態(tài)1和彎曲模態(tài)2的頻率和/2均隨著寬度的增加而減小。
34壓電陶瓷厚度i/對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響選取彈性體材料為612黃銅，在復(fù)合振子的其它‘結(jié)構(gòu)尺寸一定條件下，壓電陶瓷的厚度H對平面>.4內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻率的60影響，如0所示。
曲模態(tài)1和彎曲模態(tài)2的頻率/1和/2均隨著壓電陶瓷厚度的增加而增加。
35彈性體主體厚度H對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響選取彈性體材料為黃銅，在復(fù)合振子的其它結(jié)構(gòu)尺寸一定條件下，彈性體主體厚度對平面內(nèi)兩種彎曲振動(dòng)頻1彈性體的主體厚度對平面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的影響率的影響，如1所示。
曲模態(tài)1和彎曲模態(tài)2的頻率和/2均隨著彈性體厚度的增加而增加。
限元分析對復(fù)合振子進(jìn)行的模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合振子的中心點(diǎn)為振子的節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)可以作為復(fù)合振子與磁頭的連接點(diǎn)。
4結(jié)束語通過ANSYS有限元分析軟件對復(fù)合振子進(jìn)行模態(tài)分析，并對影響振子面內(nèi)彎曲振動(dòng)頻率的因素復(fù)合振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及彈性體材料參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示復(fù)合振子的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)以及不同材料的彈性體對復(fù)合振子在面內(nèi)的兩種彎曲振動(dòng)頻率都有著不同程度的影響。其中，復(fù)合振子的長度L寬度W以及彈性體材料對復(fù)合振子在面內(nèi)的兩種彎曲振動(dòng)頻率的影響比較大，而壓電陶瓷厚度和彈性體厚度對復(fù)合振子的這兩種彎曲振動(dòng)頻率影響相對較小。在選擇彈性體材料時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用使復(fù)合振子共振頻率偏低的材料黃銅較好。通過適當(dāng)改變復(fù)合振子結(jié)構(gòu)參數(shù)和選擇合適的彈性體材料，可以設(shè)計(jì)出同時(shí)具有面內(nèi)的兩種彎曲振動(dòng)的復(fù)合振子及其直線超聲電機(jī)。