在特種電機中發揮壓電泵流量精確可控的優勢

傳統電動機在工農業生產、交通運輸、國防、商業及家用電器、醫療電器設備等各方面應用廣泛。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生驅動力，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構成的特殊電機，這種電機具有獨特優勢。

隨著微/納米技術的迅猛發展，在光學工程、微電子制造、航空航天技術、超精密機械制造、遺傳工程等技術領域的研究都迫切需要亞微米級、微/納米級的超精密驅動。傳統的電磁驅動電機技術已不能滿足工業領域發展的需求，以壓電陶瓷為核心的超精密驅動器在各高技術領域正逐步得到應用。

壓電驅動是利用壓電材料的逆壓電效應原理以及特殊的機械結構來實現精密步進驅動的新技術。壓電陶瓷疊堆具有納米級精度的穩定輸出位移，且具有線性好、控制方便、分辨率高、響應頻率高、發熱少、無磁干擾、噪聲低等特點。采用該結構設計的壓電驅動器具有獨特優勢。對超精密壓電微動工作臺、驅動電機的研究以德國PI公司、美國的國家標準局(NIST)、日本產業技術研究所(AIST)、中國哈爾濱工業大學(HIT)等機構較為突出，已有的研究成果驅動分辨率可達到5ˉ10 nm，驅動力也達到數百牛頓，但超精密驅動的行程較小，只能達到微米級。

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

研究中發現，壓電泵的細微流量極易控制且驅動力大，進而對原有壓電步進驅動電機進行了簡化，創新性地提出利用壓電泵作為驅動源，通過改變壓電泵激勵的頻率和脈沖數目，對負載構成位移驅動。發揮了壓電泵體積小、能量密度高的優點，解決了壓電步進驅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動源時，位移-頻率響應和液壓系統工作時序匹配關系等耦合關系；此外，課題組以壓電電機動力學理論分析和優化模型為基礎，自主研發高性能的截止閥，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用領域。該項研究無論從選題還是研究深度上，在相關領域都達到國內外先進水平，對于我國壓電精密驅動器與微特電機的發展具有理論意義和實際價值。