(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210757649.2 (22)申请日 2022.06.29 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 陈宇航　王亮　金家楣　刘瑞　 (74)专利代理 机构 江苏圣典律师事务所 32 237 专利代理师 刘辉 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G01R 31/34(2006.01) (54)发明名称 一种超声电机定子瞬态响应时间计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种超声电机定子瞬态响应 时间计算方法， 结合有限元仿真分析及定子齿面 振幅测量， 计算定子齿面选定的某探针点振幅随 时间变化的情况， 从而计算超声电机定子瞬态响 应时间。 本发明从超声电机定子的角度， 结合有 限元仿真技术， 计算并确定其瞬态响应时间， 方 法简单， 不但可以在超声电机整机瞬态响应性能 评估方面应用， 也可以对后续提高超声电机瞬态 效率及改善结构具有很好的实用价 值。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 CN 115146504 A 2022.10.04 CN 115146504 A 1.一种超声电机定子瞬态响应时间计算方法， 所述超声电机定子为中空行波型超声电 机， 其定子包含金属基体和压电陶瓷环； 所述金属基体呈圆环状， 所述压电陶瓷环和金属基 体同轴固连； 其特 征在于， 所述超声电机 定子瞬态响应时间计算方法包括如下步骤： 步骤1） ， 确定超声电机定子中金属基体和压电陶瓷环的尺寸参数、 材料参数、 压电参 数； 步骤2） ， 根据金属基体和压电陶瓷环的尺寸参数、 材料参数、 压电参数建立超声电机定 子的有限元仿 真分析模型， 有限元仿真分析模 型的材料模型下的阻尼子节点中包含了瑞利 阻尼； 步骤3） ， 根据超声电机 定子的有限元仿真 分析模型进行 特征频率仿真 分析； 步骤3.1） ， 让超声电机定子激发出两个同频、 同型且正交的 “驻波”模态， 并叠加合成行 波； 这两个 “驻波”模态表示为  B0n， 节圆数为0， 振型中没有节圆， 节径数n与 “波峰”或“波谷” 个数相同； 步骤3.2） ， 以合成行波的  B09模态为工作 模态， 通过有限元仿真得到的超声电机定子在 该模态下的两个振型A  相和 B 相； 步骤4） ， 根据A  相、 B 相对应的特征频率f1、 f2对定子上的压电陶瓷圆环施加交变电 压， 同时根据特征频率f1、 f2以及预设的经验常数阈值设置阻尼比， 并通过阻尼比对定子设 置瑞利阻尼； 步骤5） ， 在超声电机定子中金属基体的齿面上选定振幅参考点即测量点， 设置一个位 移点探针； 步骤6） ， 设置 M个振动周期， 每 个周期设置N个采样点， 进行瞬态计算， M、 N均为自然数； 步骤7） ， 读取位移点探针的计算的探针 图， 当振幅各周期相差不超过预设的误差阈值 时， 确定为该时刻为稳态时刻， 记录时间t。 2.根据权利要求1所述的超声电机定子瞬态响应时间计算方法， 其特征在于， 所述M取 500， N取50， 预设的误差阈值取5%。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115146504 A 2一种超声电机定子瞬态响应时间 计算方法 技术领域 [0001]本发明涉及超声电机领域， 尤其涉及一种超声电机 定子瞬态响应时间计算方法。 背景技术 [0002]航天是当今世界最具挑战性并且具备广泛带动性的高技术领域之一,我国也在加 快航天强国建设步伐， 不断拓展空间应用深度和广度。 航 天器是空间应用的载体， 各类航 天 器上广泛配置多种高精度长寿命空间机构， 如激光指向机构(CPA)、 控制力矩陀螺(CMG)、 激 光扫描三维成像机构(LVDS)和空间机械臂、 天线驱动机构(GDA)等， 以满足不同应用对精确 控制、 精准观测、 精稳操作的需求。 实现空间机构轻量化及快捷精稳运动性能已成为支撑我 国航天强国建设亟待提升的基础能力。 电机是各类空间机构运动的驱动源， 对空间机构的 综合性能起着至关重要的作用。 与空间机构常用的电磁电机通过电磁力传动不同， 超声电 机通过压电陶瓷激励定子产生可控的微观振动， 并通过定转子摩擦转化为转子宏观转动。 基于该工作 原理， 超声电机在空间机构严格的体积、 重量约束 范围内， 可以充分体现出重量 轻、 扭矩大、 响应快、 自锁定等优势， 应用于空间机构可更好地实现系统轻量化并显著提升 响应特性。 因此， 为了满足空间机构高精度、 长寿命、 超低速、 大速比、 往复摆动的典型工况 需求， 尤其是空间机构的超声电机往复摆动都是微幅摆动的工况， 每一次的工作的时间都 很短暂， 这样 研究超声电机的瞬态响应性能就很有必 要， 而定子作为超声电机的核心部件， 因此， 研究超声电机的定 子瞬态响应时间对分析超声电机瞬态响应性能就至关重要。 [0003]目前大多数对于超声电机的研究都只在频域范围内进行研究， 对于超声电机瞬态 过程没有很好的方法去研究， 虽然目前有仿真从超声电机整机层面进行瞬态响应的研究， 但定子的瞬态响应研究也至 关重要， 所有需要通过一个有限元仿真技术能对定子瞬态响应 时间进行比较准确的计算， 这样有利于后续瞬态过程的研究与分析。 发明内容 [0004]本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷， 提供一种超声电 机定子瞬态响应时间计算方法。 [0005]本发明为 解决上述 技术问题采用以下技 术方案： [0006]一种超声电机定子瞬态 响应时间计算方法， 所述超声电机定子为中空行波型超声 电机， 其定子包含金属基体和压电陶瓷环； 所述金属基体呈圆环状， 所述压电陶瓷环和金属 基体同轴固连； [0007]所述超声电机 定子瞬态响应时间计算方法包括如下步骤： [0008]步骤1)， 确定超声电机定子中金属基体和压电陶瓷环的尺寸参数、 材料参数、 压电 参数； [0009]步骤2)， 根据金属基体和压电陶瓷环的尺寸参数、 材料参数、 压电参数建立超声电 机定子的有限元仿 真分析模型， 有限元仿 真分析模型的材料模型下的阻尼子节点中包含了 瑞利阻尼；说　明　书 1/4 页 3 CN 115146504 A 3