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  文章標題:真空低溫下環形行波超聲波電機負載特性試驗研究
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作者:jialincy  發表時間:2010-1-31 12:38:28
    真空低溫下環形行波超聲波電機負載特性試驗研究
    周寧寧,曲建俊
    (哈爾濱工業大學,黑龍江哈爾濱150001)
    摘要:利用自制的套真空低溫超聲波電機摩擦驅動特性測試系統,在真空低溫復合環境下測試了環形行
  波超聲波電機的負載特性和負載穩定性。試驗結果表明,在試驗溫度的范圍內,隨著環境溫度的降低,電機的轉
  速、堵轉力矩增加,轉速隨運行時問的波動減小;當環境溫度低于-45℃時,電機需要多次啟動才能運行,這主
  要是由于在此溫度以卜電機中的軸承小能正常運轉的原因。
    關鍵詞:超聲波電機;真空;低溫
  0引言
    超聲波電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應,通過定/轉子間的摩擦來傳遞動力的一種新型驅動器,其重量輕、結構簡單、響應快、低速大轉矩以及可直接驅動負載等特點使其在醫療器械、精密儀器、機器人等領域有著廣泛的應用前景,被認為是適合于航天的真空及高、低溫條件下的理想驅動器。美國和日本率先開展了真空或低溫環境下超聲波電機驅動特性的基礎性研究。目前,國內剛剛開始這方面的研究。蘇娜等測試了常態和真空條件下環形行波型超聲波電機的負載特性。作者在前期工作巾研究了真空度和高溫對行波超聲波電機驅動特性的影響,得出了一些超聲波電機在非常態下的驅動特性變化規律。但是,目前在真空低溫復合環境下對行波超聲波電機驅動特性的研究較少,其研究的關鍵數據未見報道。
     隨著我國探月計劃的提出,作為月球探測車的驅動裝置,應積極發展擁有自主知識產權的超聲波電機。因此,研究超聲馬達在真空及高/低溫環境下的驅動特性其有十分重要的意義。本文在真空低溫復合環境下,測試了環形行波超聲波電機的負載特性和負載穩定性,為真空低溫下超聲波電機的研究提供了重要的試驗數據。
  1試驗設備和方法
模擬真空與低溫環境是利用試驗室研制的超聲波電機真空低溫試驗系統實現的。該測試系統如圖l所示,它主要由真空腔、低溫制冷裝置、超聲波電機驅動特性測試試驗臺以及真空和低溫控制系統等組成。試驗中,真空腔內的溫度從室溫至-190℃可調,控溫精度±l℃,并且可實現低真空2×10oPa和高真空5×lO-3Pa兩種真空狀態,其中低真空由機械泵工作來實現,高真空由機械泉和擴散油泵共同工作來實現。置于真空腔中的超聲波電機驅動特性測試試驗臺可模擬超聲波電機的工作過程,并可施加一定的模擬負載力矩。
 
 
試驗所用電機為B(O,9)模態環形行波型超聲波電機,其外形圖如圖2所示。該電機定子外徑為60mml,定子材料為銅,轉子材料為硬鋁。摩擦材料為PTFE基復合材料,摩擦材料粘帖在定子齒上。試驗中,電機的溫度通過一個微型溫度傳感器測量,溫度傳感器固定在電機的外殼上,將電機殼體的溫度作為試驗溫度。試驗是在真空度:2pa和不同環境溫度的復合環境下進行。
2試驗結果
 
 
    圖3為超聲波電機在不同環境溫度下的負載特性,從圖中可以看出,超聲波電機的轉速和轉矩隨著環境溫度的降低而增加。圖4為在不同環境溫度下,超聲波電機帶負載(M0.4 Nm)、運行30分鐘,電機轉速隨時間的變化。從圖4中可以看出,隨著環境溫度的降低,超聲波電機轉速隨運行時間的波動減小。但是,當環境溫度低于-45oc時,電機需要多次啟動才能正常運行。對真空低溫下超聲波電機驅動特性產生上述現象的原因分析如下。
 
 
 
首先,溫度列超聲波電機的高頻振動有較大的影響。隨著環境溫度的降低,電機定子的彈性模量變大,從而使定子固有頻率增加。而此時激勵定子振動的電壓頻率不變,則此時定子的驅動性能將發生變化。由于試驗開始時,所選定電機的工作頻率為電機定子在常溫常壓下同有頻率之后0.5 kHz。固隨著環境溫度的降低,電機工作頻率與固有頻率更加接近,電機驅動能力提高,電機轉速、轉矩增加。
其次,溫度對超聲波電機定/轉子接觸界面摩擦驅動特性有較大的影響。由于超聲波電機是通過定/轉子問的摩擦力來傳遞運動,因此超聲波電機工作時,定/轉子接觸界面由于摩擦將產生大量的熱量,接觸界面溫度較高,改變_r接觸

 

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