复合弯振压电超声驱动器换能机制的研究

针对传统贴片式超声驱动器机电耦合效率低、粘结胶层的强度和疲劳寿命限制其振幅提高、机械输出能力难于提升等问题，本课题首先建立复合弯振压电金属复合梁多物理场耦合分析模型，并进行驱动器构型规划研究，以驱动足振动特性一致为目标，规划出一种无需模态简并的高效强力型复合弯振压电超声驱动器新构型。在获得驱动器基本构型后，重点针对其的能量转换和传递问题展开研究。首先研究机电耦合环节中电能到驱动器微幅振动机械能的换能机制，分析驱动器模态特征频率、压电陶瓷设置位置、压电陶瓷使用当量等因素对机电耦合效率的影响，获得该环节中的能量内循环损耗机制；然后，研究摩擦耦合环节中驱动足振动强度、预压力、负载、接触界面特性等因素对驱动器微幅振动能到动子宏观运动输出动能之间的转换效率的影响。最终目标建立起一套适用于该类驱动器设计与分析的能量传递理论，用于指导复合弯振超声驱动器的研制，真正实现该类驱动器的高效、强力特性。

针对贴片式压电超声驱动器普遍存在机电耦合效率低、粘结胶层强度和疲劳寿命差、机械输出能力难于提升等问题，本项目围绕弯振复合型压电超声驱动器展开研究。首先建立了弯振复合模式下梁末端区域质点的微观运动数学模型，其中两个横向位移叠加形成的椭圆运动具有振幅高、一致性好的优点，适合用于致动。建立了弯振压电换能器的振动模型和机电耦合模型，揭示了机电耦合环节的能量损耗机制。分别基于一阶弯振复合、二阶弯振复合、三阶弯振复合以及三阶和四级弯振复合的模态组合方案，提出了六种弯振复合型压电驱动器基本构型，并研制了相应的样机。提出了一种复合梁弯振分区激励新方法，有效的提高了机电耦合效率。建立了弯振复合型压电超声驱动器多物理场耦合分析模型，获得了激励电压频率、幅值、相位差以及压电陶瓷元件设置位置与使用当量等参数对驱动足振动强度的影响，建立了适用于该类驱动器的构型设计方法与激励设置方法。其中，采用同阶弯振复合实现致动的驱动器通过采用对称截面实现了两个弯振特征频率的简并，其结构的设计有很大的灵活性，可根据空间限制和输出特性要求灵活调整，便于实现系列化和商品化。样机测试结果表明，该类驱动器成功实现了高效、快速、大推力/力矩输出，其机械输出能力已经达到实用化水平。此外，提出并研制了四种纵振复合型压电超声驱动器；还分别提出了一种激励夹心式和贴片式压电金属复合梁纵弯复合振动的新方法，并研制了样机。在本项目资助下，撰写专著一部、发表论文27篇（SCI收录17篇、EI收录25篇）、申请发明专利44项（已授权9项）、培养硕士生6人。另有4名博士生和3名硕士生正在本项目的资助下开展课题研究。本项目的研究成果将为模态复合型压电超声驱动器设计与分析提供理论指导，对拓宽压电驱动的应用领域有十分积极的意义。