【成果名称】：大行程、高精度、快响应的直线压电电机

【奖项及奖等】：国家技术发明奖二等奖

【完成人】：赵淳生，姚志远，时运来，金家楣，李华峰，黄卫清

【成果简介】：具有独特性能的压电电机（含共振型超声电机和非共振型压电电机）正在逐步成为高端装备升级换代—实现精密驱动与控制的核心部件，在航空航天制导装置、核聚变点火装置、MEMS制造装备、机器人、医学器械等领域具有广阔的应用。将压电电机应用于我国高端装备，是本项目组近20年来一直追求的目标。2004年以前，本项目组主要研究旋转压电电机，并于2004获国家技术发明二等奖。由于直线压电电机在国内需求越来越多，而国内直线压电电机存在输出效率低、稳定性差、精度虽高但行程很小（μm级）等问题，尚不能满足用户需求，所以，高性能（大行程、高精度、快响应）直线压电电机及其驱动的精密定位平台至今仍然基本依赖进口，用于国防的直线压电电机还遭禁运。为此，从2004年起，本项目组把研究重点转向直线压电电机。在国家自然科学基金、国家重大专项课题和973项目课题等项目资助下，本项目组对直线压电电机进行了深入系统的研究：揭示了直线超声电机运动机理；提出了定子/动子接触动力学模型及运动模型，建立了直线超声电机优化设计理论和方法；攻克了定子结构、柔性铰链夹持等一体化设计和增大非共型直线压电电机行程等关键技术。实现了我国直线压电电机的大行程、高精度、快响应。主要技术发明点如下：

       1．建立了直线超声电机定/动子接触动力学模型，提出了其瞬态/稳态的运行特性及机械特性的准确预估方法，为直线超声电机的结构优化设计奠定了基础。发明了双驱动足、面内模态等新型直线超声电机，提高了输出效率和速度；

       2．揭示了直线超声电机定子/动子接触频率与速度、推力的关系，发明了单定子多驱动足直线超声电机，其推力/重量比、最大速度、输出效率等都比原来单足式超声电机提高一倍多；

       3．提出了采用压电陶瓷元件（d33效应）、连续变截面的定子结构与柔性铰链夹持元件等对直线超声电机定子进行一体化设计的方法，发明了V型和U型直线超声电机,增強了电机结构及输出的稳定性，实现了大推力和高精度；

       4．提出了增大非共振直线压电电机行程和提高其位移分辨率的有效方法，突破了采用叠层压电堆作为激振元件的非共振直线压电电机的关键技术，发明了多种新型非共振型直线压电电机，实现了大行程和高精度。

       5．发明了一种新型直线超声电机驱动/控制器，在单芯片上实现了频率发生、分频分相、死区调节等功能的融合，具有驱动频率、驱动电压与负载的解耦控制, 实现了对直线压电电机的精确控制。

       本项目已授权国家发明专利20项，出版专著两部，发表SCI和EI学术论文32篇，发明并研制成功15种拥有自主知识产权的直线压电电机及4种精密定位平台，实现了大行程（20-100毫米）、高位移分辨率（<50纳米）、高定位精度（0.36微米）、高加速度（5-10g），达到国际同类产品先进水平，部分性能指标超过国际同类产品。获2012年度教育部高等学校科学研究优秀成果技术发明一等奖。

       本项目已用于神光－III主机装置试验，实现了电动反射镜架的精确定位；成功应用于973项目中的细胞穿刺试验，在控制精度、运行稳定性和快速响应方面优于同类进口设备；完全满足物理光栅结构光三维扫描仪高稳定性、快响应和高精度要求；所研发的60LumV型直线超声电机，已投入生产。本项目为打破国外的技术垄断，实现我国高性能直线压电电机产业化奠定了坚实的基础。

本成果发明并研制成功的15种拥有自主知识产权的直线压电电机