超聲波電機(jī)在航空航天中的應(yīng)用
李華峰 辜承林(華中理工大學(xué)武漢430074)
摘 要 介紹超聲波電機(jī)的原理及其在航空航天中的應(yīng)用。
敘 詞 超聲波電動(dòng)機(jī)進(jìn)展應(yīng)用
1 引 言
超聲波電機(jī)(usm)是國外近幾年發(fā)展起來的一種新型電機(jī)，它利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)，將彈性材料(壓電陶瓷，pzt)的微觀形變通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運(yùn)動(dòng)，行波型usm的運(yùn)動(dòng)形成原理如圖1所示。
由于獨(dú)特的運(yùn)行機(jī)理，usm具有傳統(tǒng)電磁式電機(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)：
863國家高技術(shù)航天領(lǐng)域項(xiàng)目863-2-2-4- 6b資助
(1)靠摩擦力驅(qū)動(dòng)，因而斷電后具有自鎖功能，不需要制動(dòng)裝置。
(2)轉(zhuǎn)矩密度大，低速下可產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩，不需要齒輪減速機(jī)構(gòu)，因而體積小，重量輕，控制精度高，響應(yīng)速度快。
(3)勿需潤滑，不產(chǎn)生也不受電磁干擾，噪聲低。
綜上原因，超聲波電機(jī)受到了工業(yè)發(fā)達(dá)國家的普遍重視。
2 usm的發(fā)展?fàn)顩r
usm實(shí)際是蘇聯(lián)首先提出來的；1964年基輔理工學(xué)院的v. v. lavrinenko設(shè)計(jì)了第一個(gè)壓電旋轉(zhuǎn)電機(jī)[1]。此后研究usm的機(jī)構(gòu)越來
越多，主要有拉托維亞的振動(dòng)技術(shù)研究中心、基輔理工學(xué)院和烏克蘭及列寧格勒理工學(xué)院等。1980年，僅拉托維亞的振動(dòng)技術(shù)研究中心里從事usm設(shè)計(jì)及應(yīng)用的就有30多人，其經(jīng)費(fèi)主要由蘇聯(lián)軍事及空間工業(yè)部提供。此時(shí)蘇聯(lián)在usm領(lǐng)域處于****水平，如設(shè)計(jì)了用于微型機(jī)器人的有2或3個(gè)自由度的usm:人工超聲肌肉及超聲步進(jìn)電機(jī)等。不過由于語言等原因，一些重要研究成果并未被西方科學(xué)界所充分了解。蘇聯(lián)解體后，由于經(jīng)濟(jì)困難，用于usm的資金大幅削減，研究活動(dòng)也逐漸減少，只有幾個(gè)主要的研究機(jī)構(gòu)（如拉托維亞的振動(dòng)技術(shù)研究中心）還在工作。
與此形成鮮明對(duì)照的是日本和歐洲研究活動(dòng)的極為活躍，僅日本的研究機(jī)構(gòu)就有40多家，如松下、新生工業(yè)公司、東京工業(yè)大學(xué)等。英國劍橋大學(xué)和法國、德國的許多機(jī)構(gòu)也研究usm，并開發(fā)出了許多實(shí)用產(chǎn)品。如1986年獲nobel物理學(xué)獎(jiǎng)的掃描隧道顯微鏡(stm)和日本canon公司的照相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)、機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)、點(diǎn)陣打印機(jī)的打印頭、鐘表以及導(dǎo)彈的飛行控制系統(tǒng)等。甚至有幾個(gè)西方大公司預(yù)測usm將會(huì)在小電
機(jī)領(lǐng)域最終取代電磁式電機(jī)。除日本外，electro mechanical systems公司還制作了英國第一個(gè)商用usm：usr30。
相比之下，美國在這方面明顯落后，目前還沒有商用產(chǎn)品出現(xiàn)。主要的研究機(jī)構(gòu)有mit、ibm公司、噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)于usm的研究，目前主要集中在以下幾個(gè)方面：新型電機(jī)的原理[2]、測試方法、提高運(yùn)行性能[3]和改進(jìn)控制方法等。
3 usm在航空航天中的應(yīng)用
為了確保美國在國際商用小衛(wèi)星市場上的地位，以及完成將來美國航空航天局的任務(wù)，1994年夏，nasa的daniel goldin宣布了nasa在小型宇宙飛船的設(shè)計(jì)、制造、發(fā)射及操作上的指導(dǎo)方針，歸納起來就是“更快、更好、更便宜”。火星探索計(jì)劃是nasa目前主要的項(xiàng)目之一。用于火星表面物質(zhì)——水、大氣、巖石及二氧化碳——采集的微型著陸器中的機(jī)器人，更是著陸器成功實(shí)現(xiàn)著陸及數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。上述指導(dǎo)方針應(yīng)用于機(jī)器人就是要求減少質(zhì)量／體積／功率,同時(shí)還要滿足靈活性、耐久性及在變化的周圍環(huán)境中的能適應(yīng)性等要求。為此，nasa的科學(xué)家在三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的方面進(jìn)行努力：機(jī)器人的設(shè)計(jì)；先進(jìn)的機(jī)器人的材料；先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)器。作為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的電磁式電機(jī)，由于其制造上的局隈性，限制了它的小型化。而且這類電機(jī)由于使用變速機(jī)構(gòu)來滿足轉(zhuǎn)矩的需求，增加了系統(tǒng)元件數(shù)，因而就增加了質(zhì)量、體積和復(fù)雜度，同時(shí)也降低了可靠性。而usm的諸多優(yōu)點(diǎn)（低速下可獲得大轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單等）恰好彌補(bǔ)了電磁式電機(jī)的不足，非常適合于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)需求，引起了nasa的重視。他們已經(jīng)并將繼續(xù)使用usm取代電磁式電機(jī)來作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器及伺服系統(tǒng)。
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