在特種電機中發(fā)揮壓電泵流量精確可控的優(yōu)勢

傳統(tǒng)電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面應(yīng)用廣泛。一般電動機通常是由很細的銅絲繞成線圈，其中通有電流后在磁場作用下將產(chǎn)生驅(qū)動力，可帶動外部負載運動。當電機負載較大或電機卡住時，流過線圈的電流會快速增加，同時電機溫度急劇升高，銅絲繞阻極易被燒毀。由壓電材料構(gòu)成的微特電機是利用壓電陶瓷在交變電場作用時，引起晶體機械變形的逆壓電效應(yīng)構(gòu)成的特殊電機，這種電機具有獨特優(yōu)勢。

隨著微/納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，在光學工程、微電子制造、航空航天技術(shù)、超精密機械制造、遺傳工程等技術(shù)領(lǐng)域的研究都迫切需要亞微米級、微/納米級的超精密驅(qū)動。傳統(tǒng)的電磁驅(qū)動電機技術(shù)已不能滿足工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的需求，以壓電陶瓷為核心的超精密驅(qū)動器在各高技術(shù)領(lǐng)域正逐步得到應(yīng)用。

壓電驅(qū)動是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)原理以及特殊的機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)精密步進驅(qū)動的新技術(shù)。壓電陶瓷疊堆具有納米級精度的穩(wěn)定輸出位移，且具有線性好、控制方便、分辨率高、響應(yīng)頻率高、發(fā)熱少、無磁干擾、噪聲低等特點。采用該結(jié)構(gòu)設(shè)計的壓電驅(qū)動器具有獨特優(yōu)勢。對超精密壓電微動工作臺、驅(qū)動電機的研究以德國PI公司、美國的國家標準局(NIST)、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所(AIST)、中國哈爾濱工業(yè)大學(HIT)等機構(gòu)較為突出，已有的研究成果驅(qū)動分辨率可達到5ˉ10 nm，驅(qū)動力也達到數(shù)百牛頓，但超精密驅(qū)動的行程較小，只能達到微米級。

步進型精密步進驅(qū)動電機是一種大行程的精密步進驅(qū)動電機，它利用微動臺的步進蠕動(Inchworm)運動的原理，實現(xiàn)大行程精密驅(qū)動。這種超精密壓電步進驅(qū)動電機能實現(xiàn)大于10.mm的行程，并能實現(xiàn)高于20 nm的驅(qū)動分辨率，能較好地實現(xiàn)大行程和高分辨率；但這種超精密壓電步進驅(qū)動電機仍然存在承載能力不大、在高頻時出現(xiàn)箝位和步進的紊亂，使步進驅(qū)動失效等問題。

研究中發(fā)現(xiàn)，壓電泵的細微流量極易控制且驅(qū)動力大，進而對原有壓電步進驅(qū)動電機進行了簡化，創(chuàng)新性地提出利用壓電泵作為驅(qū)動源，通過改變壓電泵激勵的頻率和脈沖數(shù)目，對負載構(gòu)成位移驅(qū)動。發(fā)揮了壓電泵體積小、能量密度高的優(yōu)點，解決了壓電步進驅(qū)動箝位和步進的紊亂的問題。課題組還研究了壓電泵作用為電機驅(qū)動源時，位移-頻率響應(yīng)和液壓系統(tǒng)工作時序匹配關(guān)系等耦合關(guān)系；此外，課題組以壓電電機動力學理論分析和優(yōu)化模型為基礎(chǔ)，自主研發(fā)高性能的截止閥，樣機實驗證明研究工作能很好地解決精度與大行程的矛盾。

總體來說，該項研究發(fā)揮了壓電泵方便對流量進行精密控制的特點，改善了壓電步進電機的性能，也拓展了壓電泵的應(yīng)用領(lǐng)域。該項研究無論從選題還是研究深度上，在相關(guān)領(lǐng)域都達到國內(nèi)外先進水平，對于我國壓電精密驅(qū)動器與微特電機的發(fā)展具有理論意義和實際價值。