《纵弯模态压电金属复合梁式超声电机》

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超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能的新型驱动器,具有低速大转矩、功率密度高、定位精度高、响应速度快、断电自锁、可不使用轴承和润滑、无电磁干扰和不受电磁干扰等优点,其技术涉及压电学、振动力学、摩擦学、电子学和材料学等学科。国内外超声电机的研究成果,尚未充分发挥其独特的优势。最为成熟的超声电机为贴片式圆环型行波电机压电陶瓷采用低机电耦合效率的d31模式工作,使得此类电机输出效率的提高受到制约;而陶瓷材料抗拉强度低的特点限制了定子弹性体振动波振幅的提高,不利于提高输出转矩;定子基体和压电陶瓷片之间粘接用胶层的强度和疲劳寿命等问题使得定子振幅必须控制在合理的范围内。因此,该类电机的发展已经遇到了一个无法突破的瓶颈,机械输出能力受到严重制约,致使其应用难于扩展到空间机构、机器人关节、高精度坐标平台等亟需发挥其独特优势并实现真正的直接驱动的领域。针对上述问题,项目以夹心结构压电金属复合梁结构为出发点,展开了新型超声电机的研制工作。为了实质性提高超声电机的机械输出特性,项目从基础振动模态组合出发,研究新型结构与致动机理,提出了四种采用压电金属复合梁纵振/弯振激励圆筒径向弯振的模态组合方案,揭示了压电金属复合梁纵振复合、纵弯复合、弯振复合三种组合方案的致动机理。基于模态组合、构型规划及尺度综合的研究成果,研制成功了四大类超声电机,发明了多种创新性的高驱动能力超声电机:(1)夹心换能器式圆筒型超声电机;(2)纵弯复合模态压电金属复合梁式超声电机;(3)纵振复合模态压电金属复合梁式超声电机;(4)弯振复合模态压电金属复合梁式超声电机。该项目所发明的新构型超声电机均采用压电陶瓷高机电耦合效率的d33模式工作,有效地改善了电机的机电耦合效率;压电陶瓷采用夹心方式施加预应力,成功避免了贴片式电机中胶层所存在的各种问题,使得其可采用高幅电压进行激励,大幅度提高了驱动区域振幅,实现了机械输出特性的提高。所研制各种样机输出特性测试结果均表明纵弯模态压电金属复合梁式超声电机实现了机械输出能力的显著提升,具备了实际应用所需要的驱动能力。该项目在模态组合、致动原理、构型规划、尺度综合、加工装配工艺等领域均取得了重要的理论创新和技术创新成果。该项目得到了国家自然科学基金等多项支持,具有全部的知识产权、申请国家发明专利32项(21项已获得授权),发表论文67篇(SCI源刊13篇,EI收录/源刊44篇)。项目成果成功应用在了南京航天电子科技有限公司、北京航天科工系统仿真科技(北京)有限公司、哈尔滨建成集团有限公司军品科学技术研究所等单位的高技术项目上,充分发挥了超声驱动器的独特优势,解决了各产品的关键问题,项目成果得到的用户的一致认可和好评。该项目在空间机构、机器人关节、精密驱动等领域都具有十分广阔的应用前景。

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