本发明涉及一种径向驻波型超声波电机转矩转速特性的计算方法。
背景技术：
超声波电机利用压电陶瓷的逆压电效应激发金属弹性体的超声振动，并通过摩擦耦合输出驱动力，以实现旋转或直线运动。超声波电机相比电磁电机具有动态响应快、低速大转矩、断电自锁、电磁兼容性好等诸多优点，在非连续运动领域、精密控制领域、智能机器人等领域具有广阔的应用前景。
超声波电机有多种不同的类型，其中最主要的有行波型和驻波型两种类型。行波型超声波电机的结构一般为环形，运动形式为旋转运动，其转矩-转速特性计算方法较为成熟。而驻波型超声波电机结构更为灵活，既可做成直线运动，也可做成旋转运动，但不同结构、不同运动形式的驻波型超声波电机，其输出性能的计算方法也存在较大不同。目前，针对旋转运动的径向驻波型超声波电机的转矩-转速特性的计算，尚无有效方法，导致无法在电机的设计分析阶段准确地计算电机的性能。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提供一种径向驻波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，可实现简单、准确的径向驻波型超声波电机的转矩-转速特性计算，能够在电机的设计分析阶段准确计算径向驻波型超声波电机的转矩-转速特性。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种径向驻波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，包括如下步骤：
步骤1、确定径向驻波型超声波电机的基本参数；
步骤2、计算弹性叶片的变形参数；
步骤3、计算弹性叶片对转子的切向驱动力ftdrive和阻碍力ftblock；
步骤4、取转子的转速n的初始值为0；
步骤5、更新n的值，计算弹性叶片与转子的等速临界点t1；
步骤6、计算并记录与转速n相对应的电机的输出转矩t的值；
步骤7、判断t的大小，若t>0，则将n的值加q，其中，0＜q≤1，并执行步骤5；否则，结束计算。
优选，步骤1中，径向驻波型超声波电机的基本参数包括：驱动电源的频率f、定子环一阶径向振幅a、转子内半径r、定子环外半径r1、弹性叶片长度l、弹性叶片宽度b、弹性叶片厚度h、弹性叶片安装倾斜角β、弹性叶片数量n、弹性叶片的弹性模量e、弹性叶片与转子间的摩擦系数μ。
优选，步骤2中，弹性叶片的变形参数包括：弹性叶片弯曲角
优选，
其中，若计算得到的
优选，f的计算公式如下：
优选，ftdrive和ftblock的计算公式如下：
优选，t1的计算公式如下：
优选，t的计算公式如下：
本发明的有益效果是：本发明的径向驻波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，计算过程简单，计算效率高，能够在电机的设计分析阶段准确计算径向驻波型超声波电机的转矩-转速特性；本发明适应性强，可计算不同尺寸的径向驻波型超声波电机转矩转速特性；本发明同时能够用于径向驻波型超声波电机的结构设计和优化分析，以提高电机的转矩转速性能。
附图说明
图1是本发明一种径向驻波型超声波电机转矩转速特性的计算方法的流程图；
图2是本发明实施例的径向驻波型超声波电机转矩-转速特性计算曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，一种径向驻波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，包括如下步骤：
步骤1、确定径向驻波型超声波电机的基本参数；
步骤2、计算弹性叶片的变形参数；
步骤3、计算弹性叶片对转子的切向驱动力ftdrive和阻碍力ftblock；
步骤4、取转子的转速n的初始值为0；
步骤5、更新n的值，计算弹性叶片与转子的等速临界点t1；
步骤6、计算并记录与转速n相对应的电机的输出转矩t的值；
步骤7、判断t的大小，若t>0，则将n的值加q，其中，0＜q≤1，并执行步骤5；否则，结束计算。q的取值在大于0小于等于1之间都是可以的，取值越小，计算的点数就越多，精度越高。优选，q的取值为0.1。
下面进行详细介绍：
优选，步骤1中，径向驻波型超声波电机的基本参数包括：驱动电源的频率f、定子环一阶径向振幅a、转子内半径r、定子环外半径r1、弹性叶片长度l、弹性叶片宽度b、弹性叶片厚度h、弹性叶片安装倾斜角β、弹性叶片数量n、弹性叶片的弹性模量e、弹性叶片与转子间的摩擦系数μ。
优选，步骤2中，弹性叶片的变形参数包括：弹性叶片弯曲角
优选，
其中，若计算得到的
优选，f的计算公式如下：
优选，ftdrive和ftblock的计算公式如下：
优选，t1的计算公式如下：
优选，t的计算公式如下：
以一台外径为32mm的径向驻波型超声波电机为例，结合图1对以下各步骤进行详细描述：
在步骤1中，确定径向驻波型超声波电机的参数，驱动电源的频率f＝74khz、定子环一阶径向振幅a＝0.6μm、转子内半径r＝15mm、定子环外半径r1＝11mm、弹性叶片长度l＝5mm、弹性叶片宽度b＝5mm、弹性叶片厚度h＝0.1mm、弹性叶片安装倾斜角β＝27°、弹性叶片数量n＝16、弹性叶片的弹性模量e＝2.11×1011n/m2、弹性叶片与转子间的摩擦系数μ＝0.32。
在步骤2中，计算弹性叶片弯曲角
在步骤3中，计算弹性叶片对转子的切向驱动力ftdrive和阻碍力ftblock，分别计算得到ftdrive＝4.4165n，ftblock＝1.3218n。
在步骤4中，取转子的转速n的初始值为0r/min。
在步骤5中，记录n的值，计算弹性叶片与转子的等速临界点t1，当n＝0r/min时，对应的等速临界点t1＝3.3784×10-6s。
在步骤6中，计算并记录与转速n相对应的电机的输出转矩t的值，当转速n＝0r/min时，对应的输出转矩t＝0.3714nm。
在步骤7中，判断t的大小，若t>0，则将n赋值为n+0.1，返回步骤5；反之，若t≤0，则结束计算。
图2显示了将循环计算得到的径向驻波型超声波电机的转矩-转速点相连形成的转矩-转速特性曲线。本发明的实施例采用matlab编写计算程序，人工输入径向驻波型超声波电机的基本参数，即可快速给出对应的转矩-转速特性曲线。
本发明的径向驻波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，计算过程简单，计算效率高，能够在电机的设计分析阶段准确计算径向驻波型超声波电机的转矩-转速特性；本发明适应性强，可计算不同尺寸的径向驻波型超声波电机转矩转速特性；本发明同时能够用于径向驻波型超声波电机的结构设计和优化分析，以提高电机的转矩转速性能。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。