[发明专利]一种直线超声波电机多物理场综合设计方法

说明书

本发明涉及一种直线超声波电机多物理场综合设计方法，包括以下步骤：将电振‑温度‑结构耦合设计问题解耦为电振‑结构、电振‑温度与温度‑结构三个双耦合设计问题，实现设计需求与计算效率的折中；采用有限元数值计算与响应面法相结合的手段，获得以电机结构多尺度尺寸参数为变量的定子模态特性解析表达函数簇，电机作动性能解析表达函数簇，关键部件最高温度、最大温差以及最大热应力解析表达函数，进而采用智能优化算法开展结构多尺度尺寸参数的精细化设计，大幅提升电机综合性能指标。本发明具有计算精度高、设计周期短、对工程师的经验依赖程度低，易于推广的优点。

技术领域

本发明涉及超声波电机技术领域，具体涉及一种直线超声波电机多物理场综合设计方法。

背景技术

直线超声波电机具有电磁电机不具备的诸多优点，已在医疗设备、航空航天、军事装备等领域取得重要应用。然而，由于高频交变电场激励、超声频机械共振以及定动子摩擦与冲击产生的复杂热-机-电耦合问题给直线超声波电机的优化设计带来严峻挑战，在电机基础设计与优化设计中应综合考虑电机结构多尺度尺寸参数对定子振动模态、电机作动性能、机械强度以及温升的影响。

现有直线超声波电机优化设计方法中存在的缺陷有：1)现有直线超声波电机优化设计多针对改善作动性能、温度、机械强度和定子振动模态等某一方面性能开展，未统筹考虑电机内部多物理场耦合下电机综合性能的优化；2)现有直线超声波电机多物理场设计方法中采用直接耦合分析法对电机进行多物理场耦合分析，运算量大，计算时间长；3)现有直线超声波电机设计方法多针对结构组件的宏观尺寸参数开展，未考虑结构件细观和微观尺寸参数的精细化设计。

发明内容

本发明所要解决的技术性问题是针对现有技术的上述不足，提供基于电振-温度-结构解耦的直线超声波电机多物理场综合设计方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种直线超声波电机多物理场综合设计方法，包括以下步骤：

(1)根据电机的实际应用场合与需求以及电机的额定参数，归纳出需要设计的直线超声波电机的基本性能指标，选择合适的定子构型；

(2)通过对直线超声波电机工作原理及其内部电场、温度场与结构场耦合关系的分析，将电机的多物理场设计问题转化为基于电振-温度-结构解耦的多物理场综合设计问题,并制定电机的多物理场综合性能指标；

(3)通过对电机结构参数进行敏感度分析，确定电机关键结构多尺度尺寸参数，并根据获取电机性能参数，归纳总结出以电机结构尺寸参数为变量的定子模态特性解析表达函数簇，电机作动性能解析表达函数簇，各部件最高温度、最大温差以及最大热应力解析表达函数；

结构组件多尺度结构尺寸参数变量：X＝(x₁,x₂,x₃,······,x_k)^T；

定子模态特性函数簇：F_M＝(f_M1,f_M2,f_M3,······,f_Mm)^T；

作动性能函数簇：F_A＝(f_A1,f_A2,f_A3,······,f_An)^T；

关键部件最高工作温度变化函数：F_T＝(f_T1,f_T2,f_T3,······,f_Tr)^T；