| 真空低溫下環(huán)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(yè)大學(xué)，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(qū)動特性測試系統(tǒng)，在真空低溫復(fù)合環(huán)境下測試了環(huán)形行
波超聲波電機的負載特性和負載穩(wěn)定性。試驗結(jié)果表明，在試驗溫度的范圍內(nèi)，隨著環(huán)境溫度的降低，電機的轉(zhuǎn)
速、堵轉(zhuǎn)力矩增加，轉(zhuǎn)速隨運行時問的波動減��；當(dāng)環(huán)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(zhuǎn)的原因。
關(guān)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(yīng)，通過定／轉(zhuǎn)子間的摩擦來傳遞動力的一種新型驅(qū)動器，其重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、低速大轉(zhuǎn)矩以及可直接驅(qū)動負載等特點使其在醫(yī)療器械、精密儀器、機器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(qū)動器。美國和日本率先開展了真空或低溫環(huán)境下超聲波電機驅(qū)動特性的基礎(chǔ)性研究。目前，國內(nèi)剛剛開始這方面的研究。蘇娜等測試了常態(tài)和真空條件下環(huán)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(qū)動特性的影響，得出了一些超聲波電機在非常態(tài)下的驅(qū)動特性變化規(guī)律。但是，目前在真空低溫復(fù)合環(huán)境下對行波超聲波電機驅(qū)動特性的研究較少，其研究的關(guān)鍵數(shù)據(jù)未見報道。
隨著我國探月計劃的提出，作為月球探測車的驅(qū)動裝置，應(yīng)積極發(fā)展擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的超聲波電機。因此，研究超聲馬達在真空及高／低溫環(huán)境下的驅(qū)動特性其有十分重要的意義。本文在真空低溫復(fù)合環(huán)境下，測試了環(huán)形行波超聲波電機的負載特性和負載穩(wěn)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(shù)據(jù)。
1試驗設(shè)備和方法
模擬真空與低溫環(huán)境是利用試驗室研制的超聲波電機真空低溫試驗系統(tǒng)實現(xiàn)的。該測試系統(tǒng)如圖l所示，它主要由真空腔、低溫制冷裝置、超聲波電機驅(qū)動特性測試試驗臺以及真空和低溫控制系統(tǒng)等組成。試驗中，真空腔內(nèi)的溫度從室溫至-190℃可調(diào)，控溫精度±l℃，并且可實現(xiàn)低真空2×10oPa和高真空5×lO-3Pa兩種真空狀態(tài)，其中低真空由機械泵工作來實現(xiàn)，高真空由機械泉和擴散油泵共同工作來實現(xiàn)。置于真空腔中的超聲波電機驅(qū)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(tài)環(huán)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(zhuǎn)子材料為硬鋁。摩擦材料為PTFE基復(fù)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(huán)境溫度的復(fù)合環(huán)境下進行。
2試驗結(jié)果
圖3為超聲波電機在不同環(huán)境溫度下的負載特性，從圖中可以看出，超聲波電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩隨著環(huán)境溫度的降低而增加。圖4為在不同環(huán)境溫度下，超聲波電機帶負載(M0．4 Nm)、運行30分鐘，電機轉(zhuǎn)速隨時間的變化。從圖4中可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，超聲波電機轉(zhuǎn)速隨運行時間的波動減小。但是，當(dāng)環(huán)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(qū)動特性產(chǎn)生上述現(xiàn)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(huán)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(qū)動性能將發(fā)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(huán)境溫度的降低，電機工作頻率與固有頻率更加接近，電機驅(qū)動能力提高，電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩增加。
其次，溫度對超聲波電機定／轉(zhuǎn)子接觸界面摩擦驅(qū)動特性有較大的影響。由于超聲波電機是通過定／轉(zhuǎn)子問的摩擦力來傳遞運動，因此超聲波電機工作時，定／轉(zhuǎn)子接觸界面由于摩擦將產(chǎn)生大量的熱量，接觸界面溫度較高，改變_r接觸界面的摩擦驅(qū)動特性，因此常溫下電機轉(zhuǎn)速隨運行時間的波動較大。隨著環(huán)境溫度的降低，定／轉(zhuǎn)子接觸界面產(chǎn)生的熱量向外穿出的速度加快，接觸界面溫度較常溫工作時降低，接觸界面摩擦驅(qū)動特性得到改善。固隨著環(huán)境溫度的降低，電機轉(zhuǎn)速隨運行時間的波動減小。
當(dāng)環(huán)境溫度低于-45oC時，電機需要多次啟動才能正常運行。這主要是由于電機中的兩個軸承在過低溫度下不能正常運轉(zhuǎn)造成的。
3結(jié)論
(1)在實驗溫度的范圍內(nèi)，隨著環(huán)境溫度的降低，電機的轉(zhuǎn)速、堵轉(zhuǎn)力矩增加，轉(zhuǎn)速隨運行時間的波動減小。這主要是由于隨著環(huán)境溫度的降低，電機的固有頻率增大，電機的驅(qū)動能力增強以及低溫下電機定／轉(zhuǎn)子接觸界面的摩擦驅(qū)動特性得到改善的原因。
(2)當(dāng)環(huán)境溫度低于-45 oc時，電機需要多次啟動才能正常運行。這主要是由于電機中的兩個軸承在此溫度以下不能正常運轉(zhuǎn)造成的。
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