合肥工业大年夜学HFUT-USM课题组提出超声波电机多物理场分析新思路

合肥工业大学HFUT-USM课题组的李响、郭鹏涛和丁远，通过借鉴电磁电机的研究方法，提出一种基于场路结合的大功率HPLUM压电-热-构造多物理场剖析方法，实现对多场耦合浸染下电机的作念头能、电气特性、温升特性以及关键部件机器强度的快速同步评估，为超声波电机多物理场精准高效剖析供应新的思路。

研究背景

HPLUM常日须要较高驱动电压，这使得电机关键部件（如压电陶瓷）的机器强度、温升与电机机器特性之间的抵牾愈加突出，已成为极度运用环境下HPLUM 优化设计亟待办理的问题。
精准高效的多物理场剖析对付电机的设计与优化至关主要，而基于传统有限元法的超声波电机多物理场剖析方法无法兼顾剖析效率与打算精度。

论文所办理的问题及意义

为办理超声波电机传统多物理场剖析方法无法兼顾剖析效率与打算精度的问题，提出一种基于场路结合的超声波电机压电-热-构造多物理场剖析方法，结合场算的精准打算上风与路算的高效求解上风，通过超声波电机内部固有的电-振-热耦合效应实现压电-热-构造多物理场耦合的高效精准剖析，为HPLUM的多场耦合剖析及优化设计供应理论参考与技能支撑。

图1 基于场路结合的V型定子HPLUM多物理场剖析事理图

论文方法及创新点

图2所示为所提出的基于场路结合的HPLUM压电-热-构造多物理场解耦剖析方法框图与打算回路。
基于“场”的不雅观点建立定子的压电-构造耦合有限元模型及热-构造耦合有限元模型，基于“路”的不雅观点构建打算定子损耗的等效电路模型以及电机温升的二维热路模型，通过超声波电机内部固有的电-振-热耦合效应实现压电-热-构造多物理场耦合剖析，并实现对多场耦合浸染下电机作念头能、电气特性、温升特性以及关键部件机器强度的快速同步评估。

图2 基于场路结合的HPLUM压电-热-构造耦合多物理场剖析框图与打算回路

图3所示为基于本文所提出的场路结合方法实现对V型定子HPLUM多场耦合浸染下的作念头能、电气特性、温升特性以及关键部件机器强度的快速同步评估，并通过如图4所示的实验平台对所提出的多物理场剖析方法进行了验证。

图3

图4 V型定子HPLUM连续运行工况下热-机-电输出特性测试平台

结论

研究者提出了一种基于场路结合的超声波电机压电-热-构造多物理场剖析方法，基于此方法对V型定子HPLUM多场耦合浸染下的作念头能、电气特性、温升特性以及关键部件机器强度的进行快速同步评估，揭示了电机运行过程中表现出的热-机-电耦合机制，且电气特性与温升特性呈现出繁芜的非线性关系，可考虑采取LLCC谐振网络的驱动电路拓扑，以知足驱动电压不随负载和驱动频率变革而改变的哀求，提高多场耦合浸染下电机运行的稳定性。

压电陶瓷温升最为剧烈，定子前端盖与驱动足处的温升次之，夹持部件的温升最小，而夹持部件连接处以及定子驱动足处的热应力表现为最大，压电陶瓷与金属基体打仗部位热应力次之，定子前、后端盖以及夹持中部的热应力最小，可考虑采取更利于压电陶瓷部件散热的,导热性能更好的铜制夹持部件，以降落压电陶瓷的温升。

团队先容

HFUT-USM课题组依托于合肥工业大学电气与自动化学院特种电机研究团队，一贯致力于超声波电机理论及运用技能的研究。
课题组的紧张研究方向为极度运用环境下的动力学建模与驱动掌握技能、压电换能器优化设计与驱动掌握技能。

该事情揭橥论文的通讯作者为合肥工业大学李响副教授、硕士生导师，担当国家自然科学基金通讯评审专家，教诲部学位中央-硕士学位学术论文省市抽检评审专家，主持国家自然科学基金和安徽省自然科学基金项目，以第一作者/通讯作者在《电工技能学报》、IEEE TIE、IEEE TIA、MSSP、《振动、测试与诊断》等国内外电气及机器领域著名学术期刊揭橥学术论文10余篇。

本事情成果揭橥在2024年第2期《电工技能学报》，论文标题为“基于场路结合的大功率直线超声波电机压电-热-构造多物理场剖析”。
本课题得到国家自然科学基金项目的支持。