《複合彎振壓電超聲驅動器換能機制的研究》是依託哈爾濱工業大學，由劉英想擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：複合彎振壓電超聲驅動器換能機制的研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉英想
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對傳統貼片式超聲驅動器機電耦合效率低、粘結膠層的強度和疲勞壽命限制其振幅提高、機械輸出能力難於提升等問題，本課題首先建立複合彎振壓電金屬複合梁多物理場耦合分析模型，並進行驅動器構型規劃研究，以驅動足振動特性一致為目標，規劃出一種無需模態簡併的高效強力型複合彎振壓電超聲驅動器新構型。在獲得驅動器基本構型後，重點針對其的能量轉換和傳遞問題展開研究。首先研究機電耦合環節中電能到驅動器微幅振動機械能的換能機制，分析驅動器模態特徵頻率、壓電陶瓷設定位置、壓電陶瓷使用當量等因素對機電耦合效率的影響，獲得該環節中的能量內循環損耗機制；然後，研究摩擦耦合環節中驅動足振動強度、預壓力、負載、接觸界面特性等因素對驅動器微幅振動能到動子巨觀運動輸出動能之間的轉換效率的影響。最終目標建立起一套適用於該類驅動器設計與分析的能量傳遞理論，用於指導複合彎振超聲驅動器的研製，真正實現該類驅動器的高效、強力特性。
結題摘要
針對貼片式壓電超聲驅動器普遍存在機電耦合效率低、粘結膠層強度和疲勞壽命差、機械輸出能力難於提升等問題，本項目圍繞彎振複合型壓電超聲驅動器展開研究。首先建立了彎振複合模式下樑末端區域質點的微觀運動數學模型，其中兩個橫向位移疊加形成的橢圓運動具有振幅高、一致性好的優點，適合用於致動。建立了彎振壓電換能器的振動模型和機電耦合模型，揭示了機電耦合環節的能量損耗機制。分別基於一階彎振複合、二階彎振複合、三階彎振複合以及三階和四級彎振複合的模態組合方案，提出了六種彎振複合型壓電驅動器基本構型，並研製了相應的樣機。提出了一種複合梁彎振分區激勵新方法，有效的提高了機電耦合效率。建立了彎振複合型壓電超聲驅動器多物理場耦合分析模型，獲得了激勵電壓頻率、幅值、相位差以及壓電陶瓷元件設定位置與使用當量等參數對驅動足振動強度的影響，建立了適用於該類驅動器的構型設計方法與激勵設定方法。其中，採用同階彎振複合實現致動的驅動器通過採用對稱截面實現了兩個彎振特徵頻率的簡併，其結構的設計有很大的靈活性，可根據空間限制和輸出特性要求靈活調整，便於實現系列化和商品化。樣機測試結果表明，該類驅動器成功實現了高效、快速、大推力/力矩輸出，其機械輸出能力已經達到實用化水平。此外，提出並研製了四種縱振複合型壓電超聲驅動器；還分別提出了一種激勵夾心式和貼片式壓電金屬複合梁縱彎複合振動的新方法，並研製了樣機。在本項目資助下，撰寫專著一部、發表論文27篇（SCI收錄17篇、EI收錄25篇）、申請發明專利44項（已授權9項）、培養碩士生6人。另有4名博士生和3名碩士生正在本項目的資助下開展課題研究。本項目的研究成果將為模態複合型壓電超聲驅動器設計與分析提供理論指導，對拓寬壓電驅動的套用領域有十分積極的意義。
