双模态换能器在行波旋转超声电机中的应用：拓宽高效转速范围的新范式

针对传统单模态行波旋转超声电机(TRUM)高效转速范围窄的瓶颈问题，研究人员创新性提出B03/B09双模态换能器设计。通过Kirchhoff板动力学建模与微扰理论分析，揭示低阶模态(B03)增强扭矩、高阶模态(B09)提升转速的机制，结合有限元优化使振幅提升78%/63%。实验验证该设计将高效转速范围扩展47%，为航空航天精密驱动提供新方案。

　　

在精密驱动领域，行波旋转超声电机(TRUM)因其电磁兼容性好、定位精度高等优势，成为卫星姿态调整、航天器关节驱动的理想选择。然而传统单模态TRUM存在"高效转速范围狭窄"的致命缺陷——当需要同时满足长时间低速巡航和瞬时高速调整的航天任务需求时，单一振动模态难以兼顾扭矩与转速。更棘手的是，制造误差导致的模态分裂(B03 mode splitting)会进一步恶化性能，这就像试图用固定档位的自行车同时应对爬坡和冲刺，暴露出传统设计在模态灵活性方面的先天不足。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地提出"双模态换能器"设计理念。该研究通过巧妙整合低阶B03模态(增强扭矩)和高阶B09模态(提升转速)，使TRUM首次具备"档位切换"能力。Kirchhoff板理论模型定量揭示了模态特性与性能的关联：B03模态通过1400-2500nm的大振幅产生高扭矩，而B09模态则依靠800-1300nm振幅下的高切向速度实现提速。微扰理论预测显示，B03模态对制造误差的敏感性是B09的1.8倍，这为后续模态分裂控制提供了理论依据。

研究团队采用三大关键技术：基于COMSOL的多物理场仿真优化模态振幅、激光多普勒振动扫描(LDV)验证模态纯度、APDL参数化设计实现78%B03/63%B09振幅提升。通过设计特殊极化分区，使单个 stator 能独立激发两种模态，就像为电机安装了"双动力系统"。

模态依赖的定子-转子系统特性
Kirchhoff板动力学模型推导出控制方程D(?²
/?r²
+r^-1
?/?r+r^-2
?²
/?θ²
)²
w+ρh?²
w/?t²
=0，定量证明B03模态的扭矩密度比B09高42%，而B09的切向速度峰值可达后者的2.3倍。

多物理场仿真与性能优化
有限元优化使B03/B09模态振幅分别提升至2500nm和1300nm，并通过模态保证准则(MAC)验证优化后模态纯度达95%以上。

定子振动动力学实验表征
LDV扫描发现优化组(TN系列)的B03模态分裂率比基准组(HB系列)降低67%，验证了微扰理论校正方法的有效性。

B03/B09双模态TRUM应用实例
原型测试显示，模式切换控制使高效转速范围(效率>15%)从单模态的200rpm扩展到300rpm，增幅达47%。B03模式峰值效率17.7%，B09模式16.5%，且校正后的B03模态失速扭矩提升80%。

这项研究突破了传统TRUM的模态局限，建立的"模态切换-分裂控制-多目标优化"方法论为下一代超声电机设计提供新范式。特别在航天领域，双模态设计使单个电机即可满足卫星太阳翼展开(需高扭矩B03模式)和快速姿态调整(需高速B09模式)的差异化需求。该成果被发表于《Ultrasonics》，其创新性体现在：首次建立双模态TRUM的普适性激励准则、开发出制造误差敏感的定量预测工具、实现模式切换不干扰的稳定控制，为智能材料驱动器的多模态设计开辟了新道路。