大功率直线超声波电机（HighPower Linear Ultrasonic Motor, HPLUM）具有高速大推力、摩擦自锁、抗电磁干扰、直接输出直线运动等优点，在空间探测器用机电作动器领域具有重要应用前景。精准高效的多物理场分析对于极端应用环境下的HPLUM设计与优化至关重要。

合肥工业大学HFUT-USM课题组的李响、郭鹏涛和丁远，通过借鉴电磁电机的研究方法，提出一种基于场路结合的大功率HPLUM压电-热-结构多物理场分析方法，实现对多场耦合作用下电机的作动性能、电气特性、温升特性以及关键部件机械强度的快速同步评估，为超声波电机多物理场精准高效分析提供新的思路。

研究背景

HPLUM通常需要较高驱动电压，这使得电机关键部件（如压电陶瓷）的机械强度、温升与电机机械特性之间的矛盾愈加突出，已成为极端应用环境下HPLUM 优化设计亟待解决的问题。精准高效的多物理场分析对于电机的设计与优化至关重要，而基于传统有限元法的超声波电机多物理场分析方法无法兼顾分析效率与计算精度。

论文所解决的问题及意义

为解决超声波电机传统多物理场分析方法无法兼顾分析效率与计算精度的问题，提出一种基于场路结合的超声波电机压电-热-结构多物理场分析方法，结合场算的精准计算优势与路算的高效求解优势，通过超声波电机内部固有的电-振-热耦合效应实现压电-热-结构多物理场耦合的高效精准分析，为HPLUM的多场耦合分析及优化设计提供理论参考与技术支撑。

图1 基于场路结合的V型定子HPLUM多物理场分析原理图

论文方法及创新点

图2所示为所提出的基于场路结合的HPLUM压电-热-结构多物理场解耦分析方法框图与计算回路。基于“场”的观点建立定子的压电-结构耦合有限元模型及热-结构耦合有限元模型，基于“路”的观点构建计算定子损耗的等效电路模型以及电机温升的二维热路模型，通过超声波电机内部固有的电-振-热耦合效应实现压电-热-结构多物理场耦合分析，并实现对多场耦合作用下电机作动性能、电气特性、温升特性以及关键部件机械强度的快速同步评估。

图2 基于场路结合的HPLUM压电-热-结构耦合多物理场分析框图与计算回路

图3所示为基于本文所提出的场路结合方法实现对V型定子HPLUM多场耦合作用下的作动性能、电气特性、温升特性以及关键部件机械强度的快速同步评估，并通过如图4所示的实验平台对所提出的多物理场分析方法进行了验证。

图3

图4 V型定子HPLUM连续运行工况下热-机-电输出特性测试平台

结论

研究者提出了一种基于场路结合的超声波电机压电-热-结构多物理场分析方法，基于此方法对V型定子HPLUM多场耦合作用下的作动性能、电气特性、温升特性以及关键部件机械强度的进行快速同步评估，揭示了电机运行过程中表现出的热-机-电耦合机制，且电气特性与温升特性呈现出复杂的非线性关系，可考虑采用LLCC谐振网络的驱动电路拓扑，以满足驱动电压不随负载和驱动频率变化而改变的要求，提高多场耦合作用下电机运行的稳定性。

压电陶瓷温升最为剧烈，定子前端盖与驱动足处的温升次之，夹持部件的温升最小，而夹持部件连接处以及定子驱动足处的热应力表现为最大，压电陶瓷与金属基体接触部位热应力次之，定子前、后端盖以及夹持中部的热应力最小，可考虑采用更利于压电陶瓷部件散热的,导热性能更好的铜制夹持部件，以降低压电陶瓷的温升。

团队介绍

HFUT-USM课题组依托于合肥工业大学电气与自动化学院特种电机研究团队，一直致力于超声波电机理论及应用技术的研究。课题组的主要研究方向为极端应用环境下的动力学建模与驱动控制技术、压电换能器优化设计与驱动控制技术。

该工作发表论文的通讯作者为合肥工业大学李响副教授、硕士生导师，担任国家自然科学基金通讯评审专家，教育部学位中心-硕士学位学术论文省市抽检评审专家，主持国家自然科学基金和安徽省自然科学基金项目，以第一作者/通讯作者在《电工技术学报》、IEEE TIE、IEEE TIA、MSSP、《振动、测试与诊断》等国内外电气及机械领域著名学术期刊发表学术论文10余篇。

本工作成果发表在2024年第2期《电工技术学报》，论文标题为“基于场路结合的大功率直线超声波电机压电-热-结构多物理场分析”。本课题得到国家自然科学基金项目的支持。