基于轴向-弯曲耦合振动的斜接触面优化型行波超声电机设计与实验验证

　　本文提出一种创新的斜接触面优化方法，针对轴向-弯曲耦合振动型梁式超声电机（USM），通过理论分析与实验验证表明，采用锥形摩擦界面可显著提升紧凑结构下的输出性能，在300 Vp-p电压和21.4 kHz频率下实现201.2 rpm转速和1.0 N·m扭矩，为旋转型USM的性能优化提供了新思路。

　　

Section snippets

Structure description

图2(a)展示了所提出的锥形行波超声电机（USM），整体尺寸为Φ50 mm × 85 mm。其核心组件是弯曲混合压电作动器（BHPEA），包含弯曲-弯曲堆栈、锥形驱动足和作动器基座。弯曲-弯曲堆栈由16个环形PZT压电陶瓷以叠层形式排列，交替分布8组激励电极和9组接地电极，如图2所示。

Design procedure

1. 1.

   材料与直径：锥形驱动足选用硬铝合金2A12，因其低密度和高强度，材料参数包括密度2810 kg/m³、杨氏模量72 GPa和泊松比0.33。基座采用304不锈钢以获取高刚度，其密度为7930 kg/m³，杨氏模量193 GPa，泊松比0.3。PZT压电片由中国电子科技集团第四十六研究所制备。

Vibration characteristic

通过数控加工和电火花精密制造完成电机样机。锥形转子选用304不锈钢，与铝合金摩擦副在轻量化、成本控制和耐磨性之间取得最佳平衡。环形PZT片通过环氧树脂（型号：Hysol E-120HP，汉高乐泰公司生产）粘结铜电极。推力轴承选用氧化锆陶瓷轴承，以其耐磨性和高精度著称。

Conclusion

本研究提出了一种通过优化锥形摩擦界面提升梁式行波超声电机运动性能的新方法。该设计使摩擦界面与空间驱动轨迹垂直，从而最大化轴向-弯曲耦合振动的能量传递。综合振动理论和有限元分析为结构参数设计、模态分析和接触角优化奠定了理论基础。