新型单相驱动杆式旋转压电作动器的设计与实验研究

本文提出了一种创新的单相驱动杆式旋转压电作动器（Piezoelectric Actuator, PZT），通过双转子对称结构设计，结合纵向-扭转耦合振动模式（Longitudinal-Torsional Vibration Mode），实现了单相驱动下的双向连续旋转。该作动器采用压电陶瓷（PZT-8）嵌入金属基体的复合梁结构，简化了控制电路（<300 Vp-p），在窄空间环境中展现出高分辨率（0.6 mrad）和稳定扭矩（1.7 mN·m），为航空航天、生物医疗等领域的精密驱动提供了新方案。

　　

亮点

本研究提出了一种革命性的单相驱动杆式旋转压电作动器，其核心创新在于：

1. 傻瓜式驱动：仅需单相电信号即可激发压电陶瓷组（PZT-8），告别复杂多相控制电路；

2. 双模式蹦迪：通过纵向-扭转耦合振动模式（LT Mode），让驱动脚在三维空间画出"麻花形"轨迹，带动转子旋转；

3. 双向旋转开关：就像切换音乐播放列表，选择不同PZT组激发即可实现顺时针/逆时针自由切换。

结构设计

作动器采用"三明治"结构：

• 核心部件：方形变截面梁嵌着两排PZT-8陶瓷片（10×5×1 mm），像给金属骨架装上"压电肌肉"；

• 聪明接触：锥形接触面设计确保转子像跳芭蕾般稳定旋转，预紧弹簧（Pre-load Spring）提供恰到好处的压力。

模态仿真

有限元分析（FEA）显示：

• 在29.8 kHz频率下，金属梁像扭动的"橡皮糖"同时产生纵向伸缩和扭转振动；

• 材料选择小贴士：磷青铜基体（Phosphor Bronze）搭配高机械品质因数PZT-8（Q_m=1500），确保振动能量不"漏气"。

实验验证

激光测振仪（PSV-500F-B）捕捉到：

• 驱动脚振幅达2.5 μm，相当于人类头发直径的1/20；

• 性能爆表：空载转速200 rpm时，扭矩1.7 mN·m，比传统电磁马达更胜任显微手术机械臂等精密场景。

结论

这款作动器就像压电界的"瑞士军刀"：

• 单相驱动（Single-phase）简化控制；

• 双转子（Dual-rotor）设计让能量利用率翻倍；

• 在太空舱机械臂、内窥镜驱动等"蜗居"环境中大显身手。

作者贡献

王瑞锋：从概念到实验的全能选手；江斌：仿真建模达人；王亮：项目总设计师；陈良生：数据捕手；周涛来：实验狂人；李明利：理论指导专家。

利益声明

作者们举手发誓：本研究没有被任何"金钱魔法"影响。

致谢

感谢国家自然科学基金（52275022）等金主爸爸的支持，还有南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室提供的"高端玩具"。