非常態環境下的超聲電機研究與應用
摘要：超聲電機具有低速大扭矩、結構簡單重量輕、精度高、掉電自鎖日無磁場干擾等優良特勝，使其在特殊應用中取代小型傳統電磁電機，并在非常態環境下具有廣闊的應用前景。本文首先對非常態環境進行界定并就非常態環境下的超聲電機研究的幾個關鍵問題，對近年米的非常態下超盧電機研究現狀展開論述，最后，列舉了超聲電機在非常態下的典型應用，提出了進一步研究的問題。
關鍵詞：超聲電機；真空；高溫：低溫
O引言
超聲電機(ultrasonic Motor，簡稱usM)是借助摩擦傳遞彈性超聲波振動以獲得動力的驅動機構…。它利用壓電陶瓷的逆壓電效應，使定子彈性體表面產生帶有橢圓運動軌跡質點的超聲波振動(振動頻率>20KHz)，通過接觸摩擦力來驅動壓在定子表面的轉移動體運動。與傳統的電磋式電機相比，超聲電機具有叫氐速大轉矩(可直接驅動)、結構簡單(司微型化)、無電磁下擾、高分辨率(可實現精確定位)、摩擦自鎖、起動停止響應快、熏量輕、噪音低以及耐低溫真空等適合太空環境的優點，使超聲電機在些特殊領域具有廣闊的應用前景。目前，超聲電機已經在航空航天、精密儀器自動控制、微型機械系統、精加工設備的定位機構、機器人的關節驅動以及辦公自動化設備等諸多領域得到實際應用。
目前，非常態環境下超聲電機研究主要是應用于太卒環境，此外還應用于光學精密儀器中的聚焦、定位等。在太空探測機構中，承載空間和電功率十分有限。例如在一個微衛星上所載儀器總功率要小于100w，因而分配給每個驅動器的電功率僅在O .1～10w之間。由于嵌入質量的高成本，太空驅動器常需要較高的輸出能量質量比。此外，太空環境條件給出了附加限制，其主要難題是克服發射時的振動和沖擊。典型的振動級別通大于20g nns，因而必須分析相關運動質量．以求得外力。另外，暴露在太陽光F使溫度變化范圍較大，一般可能在。150℃～150℃。若在水星和木星探測務中，溫度會更高；若在火星探測任務中，溫度會更低。抵御輻射也是技術困難之一。鑒于上述原岡，太空探測任務急需適用且性能優良的驅動器。超聲電機的特點恰好與太空驅動器的需求相吻合。此外，在光學應用中，多種顯微鏡(例如sEM、TEM和EB等)的鏡頭圬工作在真空環境下，需要鏡頭調焦控制器能工作在該環境下，且能實現精密定位功能。因而使雁于太空、顯微鏡等非常態環境下的超聲電機應用研究，己成為目前超聲電機研究的熱點。
1非常態的界定
非常態環境是指真空、高低溫極限環境以及輻射等特殊環境。國內外的學術界、政府和企業界的研究人員以其各自的應用對象為研究背景，研究超聲電機在任意組合的極限環境下的特性。
在非常態環境中，以真卒和低溫環境最為苛刻，超聲電機的在真空和高溫環境下的特性己報道，而在真空低溫環境下的超聲電機特性，報道較少。本文針對超聲電機在真率低溫特性，綜述了國內外學者研究的方法、關鍵問題和應用。
2研究方法
在對非常態下的超聲電機研究，正確的研究方法和手段是獲得有效研究數據的關鍵。幾個研究機構分別搭建了相關的研究裝置。1998年，日本東京工業_人學的石井孝明等人率先搭建了真空環境的超聲電機的驅動特性試驗系統(如圖1所示)。該系統利用機械泵1作來實現lPa低真空，0用機械泵和擴散泵共同工作來實現1×10Pa高真空。
2002年，哈工大搭建了真空高溫超聲電機測試裝置。該裝置利用機械泵工作來實現1Pa的低真空，利用機械泵和擴散泵共同工作來實現5×10。Pa的商真空，并利用鎢燈加熱方法來iG~E+15()c的高}N o 2006該裝置改進為真空低溫試驗系統，添置了液氮制冷控制裝置及超聲電機控制
。剝試裝置，如圖2所示。該系統可使真空腔內實現從常壓到高真空5×10從常溫到低溫一192℃為連續變化。超聲電機控制部分可以實時采集、記錄及顯示超聲電機的轉速、轉矩、電機溫度、環境溫度等信息。將超聲電機特性測試臺放入真空腔內，如圖3所示。
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