幾個(gè)影響行波型超聲電機(jī)真空低溫性能的因素
田秀，曲建俊，周寧寧
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：在真空低溫的苛刻環(huán)境下，測試了盤形行波型超聲電機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載穩(wěn)定性。引入輸出總功率的概念，來分析在真空低溫下超聲電機(jī)性能的變化情況。針對超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，探討了幾個(gè)影響非常態(tài)F超聲電機(jī)性能的因素，如膠粘劑、摩擦材料、壓電陶瓷等，以指導(dǎo)非常態(tài)下的超聲電機(jī)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，采用低溫膠制作定子時(shí)，超聲電機(jī)在低真空和低溫-80℃環(huán)境下仍能運(yùn)行。Ekon01基復(fù)合材料的摩擦性能受溫度的影響較小，適合低溫使用：
關(guān)鍵詞：行波型超聲電機(jī)；真空；低溫；摩擦材料
O引言
超聲電機(jī)是借助摩擦傳遞彈性超聲波振動(dòng)以獲得動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[1]。與傳統(tǒng)的電磁式電機(jī)相比，它具有“低速大轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)簡單重量輕、無電磁干擾、高分辨率、摩擦自鎖以及耐真空低溫等優(yōu)點(diǎn)，這與太空環(huán)境驅(qū)動(dòng)器的要求相吻合。目前，真空、高／低溫、濕熱交變以及輻射等非常態(tài)極限環(huán)境下的超聲電機(jī)應(yīng)用，已逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。九十年代，真空低溫下的超聲電機(jī)應(yīng)用研究機(jī)構(gòu)主要有美國的MIT[3]、JPL[4,5]、NASA和日本的東京工業(yè)大學(xué)[6]。近年，New scale Tech公司與NASA聯(lián)合開發(fā)出一種商用低溫超聲電機(jī)，可工作在-269℃[7]。Doilg等[8-9]利用新型耐低溫壓電單晶體PMN-PT取代傳統(tǒng)壓電陶瓷，研制出一種可工作在-196℃下的直線型超聲電機(jī)。然而，對影響超聲電機(jī)設(shè)計(jì)制作的因素，研究報(bào)道較少。在行波型超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)中，摩擦材料、壓電陶瓷、粘結(jié)壓電陶瓷與定子間的膠粘劑和軸承等因素，均可能受真空低溫環(huán)境的影響。因此，本文針對上述因素，對超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了考察。
本文在低真空5Pa下，逐漸降低環(huán)境溫度到低溫-80℃而后逐漸升高至常溫，研究了B13模態(tài)盤形行波型超聲電機(jī)的負(fù)載特性和負(fù)載穩(wěn)定性隨環(huán)境溫度的變化情況。并針對低溫真空環(huán)境，考察了壓電陶瓷與定子基體間的膠粘劑，PTFE、Ekon01、PF為基體的摩擦材料，壓電陶瓷等因素對超聲電機(jī)性能的影響，進(jìn)而改進(jìn)了超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)。此后，利用改進(jìn)的超聲電機(jī)，測試了其在真空低溫下的性能。旨在探索超聲電機(jī)及其摩擦材料在真空低溫、F的性能，為真空低溫下的電機(jī)的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。
1實(shí)驗(yàn)部分
1．1試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)采用的超聲電機(jī)特性測試臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成如圖l所示。
圖1中間部分為超聲電機(jī)加載結(jié)構(gòu)，它采用40盤形行波型超聲電機(jī)，其定子的內(nèi)圓固定，振動(dòng)模態(tài)為B13模態(tài)，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性良好。壓電陶瓷粘于定子基體上，厚度為1mm。摩擦材料粘在轉(zhuǎn)子上，由下端的彈簧給定、轉(zhuǎn)子加載預(yù)壓力。試驗(yàn)臺(tái)上方裝有磁滯制動(dòng)器，通過彈性聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)子軸連接，給超聲電機(jī)提供負(fù)載，并由接近傳感器和壓力傳感器測試超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。試驗(yàn)臺(tái)下板纏有銅管，利用液氮為整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)降溫。定子底座上布置溫度傳感器測試定子溫度，將試驗(yàn)臺(tái)放入真空低溫腔內(nèi)。真空低溫測試系統(tǒng)如圖2所示，它由真空腔、真空控制部分、超聲電機(jī)控制部分和低溫控制部分組成。真空控制柜可使真空腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)從常態(tài)到高真空狀態(tài)5×10-3Pa連續(xù)變化。低溫控制部分可使真空腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)由常態(tài)到低溫-192℃的連續(xù)變化。二者共同作用可使真空腔內(nèi)獲得真空低溫的特殊環(huán)境。
1．2實(shí)驗(yàn)方法
試驗(yàn)采用B13，模態(tài)40盤形行波型超聲電機(jī)。在低真空5Pa環(huán)境下，將環(huán)境溫度從室溫降至-80℃。在試驗(yàn)中，超聲電機(jī)的激勵(lì)頻率均選在高于該溫度下的共振頻率0．2KHz處，激勵(lì)電壓300V，預(yù)壓力17.4N。①當(dāng)考察膠粘劑對電機(jī)性能的影響時(shí)，用愛牢達(dá)膠(Araldile 2011)和低溫膠(Dw一3)2種膠粘劑，粘定子金屬體和壓電陶瓷，并采用Ekonol基摩擦材料，測試了超聲電機(jī)的機(jī)械特性；②當(dāng)考察摩擦材料對電機(jī)性能的影響時(shí)，使用以PTFE、Ekonol和PF為基體的摩擦材料，測試超聲電機(jī)的機(jī)械特性和-80℃時(shí)的空載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。③最后，使用低溫膠和Ekon01摩擦材料，測試了改進(jìn)后的超聲電機(jī)的機(jī)械特性和在負(fù)載13N mm下的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性(其中80℃時(shí)的轉(zhuǎn)速為空載轉(zhuǎn)速)。
1.3超聲電機(jī)性能試驗(yàn)分析方法
一般的，超聲電機(jī)的機(jī)械特性曲線走勢有3種情況，如圖3所示。當(dāng)機(jī)械特性呈下凹的斜線時(shí)，稱為超聲電機(jī)的軟特性；當(dāng)機(jī)械特性曲線呈上凸的斜線時(shí)，稱為超聲電機(jī)的硬特性。將坐標(biāo)軸與機(jī)械特性曲線下方所圍成的面積定義為
這里，P稱為輸出總功率，N、M0、Mf、Md分別為超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速、空載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)力矩。P表征了超聲電機(jī)從空載到堵轉(zhuǎn)的輸出功率總和，它兼顧了超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性，綜合反映了超聲電
機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的大小。因此，可以用P的大小來評價(jià)超聲電機(jī)在不同環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)性能的好壞，以及評價(jià)不同摩擦材料的優(yōu)劣。認(rèn)為當(dāng)輸出總功率P的值較大時(shí)，超聲電機(jī)取得性能較好；反之亦然。前述試驗(yàn)表明[10]，超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)受低真空的影響較小。而在超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)中，定子彈性體與壓電陶瓷間的膠粘劑、摩擦材料、壓電陶瓷和軸承等因素都可能受低溫環(huán)境的影響。下文對膠粘劑、摩擦材料、壓電陶瓷3個(gè)因素加以探討。
2結(jié)果與討論
2．1膠粘劑的影響
超聲電機(jī)依靠壓電陶瓷使定子彈性體產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，粘結(jié)壓電陶瓷和定子的膠粘劑，起傳遞振動(dòng)的重要作用。分別以愛牢達(dá)膠和低溫膠為膠粘劑，測得了不同膠粘劑在真空低溫環(huán)境下的超聲電機(jī)機(jī)械特性，并由機(jī)械特性數(shù)據(jù)求出輸出總功率。圖4為使用2種膠粘劑時(shí)，超聲電機(jī)的輸出總功率隨溫度的變化曲線。由圖4可見，當(dāng)使用愛牢達(dá)膠粘劑時(shí)，超聲電機(jī)在真空常溫下的輸出總功率較大，為780mW，而隨著環(huán)境溫度下降，輸出總功率迅速下降，當(dāng)環(huán)境溫度降至O℃時(shí)，輸出總功率下降了70％，而后，隨環(huán)境溫度下降，輸出總功率下降速度變緩，當(dāng)環(huán)境溫度降至一45℃時(shí)，該電機(jī)不能運(yùn)行；而當(dāng)使用低溫膠粘劑時(shí)，超聲電機(jī)在真空O℃時(shí)的輸出總功率是使用愛牢達(dá)膠時(shí)的6.3倍，隨環(huán)境溫度下降，輸出功率也下降，當(dāng)環(huán)境溫度降至-60℃時(shí)，下降幅變緩，超聲電機(jī)在-80℃下仍能運(yùn)行。表明，環(huán)境溫度對愛牢達(dá)膠的粘結(jié)韌性影響較大，隨著溫度降低，該膠的脆性增大，彈性減小，傳遞振動(dòng)
能的效果變差；而該種低溫膠粘劑可以在260℃下使用，溫度在-80℃以上時(shí)，低溫對該膠的粘結(jié)韌性影響較小。因此，在制作真空低溫使用的超聲電機(jī)時(shí)，應(yīng)選用低溫膠粘劑來粘結(jié)定子彈性體和壓電陶瓷。
2．2摩擦材料的影響
使用低溫膠粘的定子央真空低溫環(huán)境下，測試了使用PTFE、Ekonol、PF基基摩擦材料時(shí)的超階級聲電機(jī)機(jī)械特性，并計(jì)算出輸出總功率（圖5）�？梢姡S著環(huán)境溫度下降，超聲電機(jī)的輸出總功率減小。在3種摩擦材料中，PF對應(yīng)的輸出總功率較大，Ekonol次之，PTFE最小。但是，使用FT摩擦材料時(shí)其磨損量較大，在試驗(yàn)結(jié)束后的超聲電機(jī)定子表面附著大量的黑色粉末。此外，該材料在-20℃時(shí)對應(yīng)的輸出總功率比-60℃時(shí)的小，表明該摩擦材料的摩擦性能不穩(wěn)定。進(jìn)一步由超聲電機(jī)空載情況下的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，來對比3種摩擦材料。圖6給出了使用PTFE、
Ekon01、PF基摩擦材料時(shí)，在-80℃下超聲電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速曲線。可見，隨著時(shí)間增加，Ekon01
基和PTFE基摩擦材料對應(yīng)的空載轉(zhuǎn)速較穩(wěn)定，而PF基摩擦材料對應(yīng)的空載轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大。這是丁在真空低溫環(huán)境下，PF基摩擦材料的磨損較大，磨掉的磨屑形成磨粒磨損，硬磨粒不定期的出現(xiàn)在摩擦材料和定子之間，造成了摩擦小穩(wěn)定，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)。因此，綜合比較3種摩擦材料所對應(yīng)的輸出總功率和空載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，Ekonol基摩擦材料受環(huán)境溫度影響較小，是較好的低溫摩擦材料。
2.3壓電陶瓷的影響
壓電陶瓷在環(huán)境溫度發(fā)生改變時(shí)，各項(xiàng)物理性能將變差。其溫度穩(wěn)定性是評價(jià)壓電陶瓷的個(gè)指標(biāo)。壓電陶瓷的工作溫度極限是在0℃和居里溫度之間的一半處。若高于該溫度區(qū)間，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生熱退極化現(xiàn)象；而溫度低于0℃以下時(shí)，壓電陶瓷的性能稍有下降。受低溫影響，壓電陶瓷的電容容量升高，使壓電陶瓷的介電常數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)等性能均下降。因此，當(dāng)超聲電機(jī)在低溫環(huán)境中使用時(shí)，應(yīng)選擇受溫度影響小的壓電陶瓷。本文使用低溫膠粘的定子，測試了不同環(huán)境溫度對應(yīng)的超聲電機(jī)共振頻率和空載轉(zhuǎn)速的變化情況(圖7)。所采用的壓電陶瓷為山東淄博的PZT-4。
由圖7可見，隨著環(huán)境溫度下降，超聲電機(jī)的共振頻率逐漸升高，空載轉(zhuǎn)速降低。當(dāng)溫度從常溫20℃降至-80℃時(shí)，共振頻率約上升l.5KHz，空載轉(zhuǎn)速從850Lr.min-1降到50r.min。當(dāng)溫度低于-40℃時(shí)，空載轉(zhuǎn)速下降較快。
2.4真空低溫下的超聲電機(jī)特性
使用低溫膠粘的定子和Ekonol基摩擦材料，測得超聲電機(jī)在80℃～0的機(jī)械特性(圖8)�？梢姡S環(huán)境溫度降低，超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩均下降，其機(jī)械特性變差。當(dāng)環(huán)境溫度在-40℃以下，機(jī)械特性較差，與O℃相比，-80℃時(shí)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別減小了80％和70％。
超聲電機(jī)的負(fù)載穩(wěn)定性如圖9所示�？梢姡�-20℃以下時(shí)，隨著時(shí)間增加，超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎不變；而高于-20℃時(shí)，隨著時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)速有所下降。這是由于，在低溫下超聲電機(jī)摩擦驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的熱量可被低溫零件吸收，因而熱量迅傳導(dǎo)出去。而在溫度較高時(shí)散熱較慢，累積的
熱量影響了轉(zhuǎn)子摩擦材料性能，從而使轉(zhuǎn)速下降。
3結(jié)論
在超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)中，其定子彈性體與壓電陶瓷間的膠粘劑、摩擦材料、壓電陶瓷等都會(huì)受到低溫的影響。因此，制作真空低溫使用的超聲電機(jī)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1)應(yīng)使用低溫膠粘劑粘結(jié)壓電陶瓷和定子彈性體，避免膠在低溫下因冷脆開裂，無法傳遞振動(dòng)。
2) Ekonol基復(fù)合材料的摩擦性能受溫度的影響與其它材料相比較小，適合低溫使用。
本文的超聲電機(jī)在低真空和低溫-8O℃的環(huán)境下仍能運(yùn)行。隨著環(huán)境溫度下降，超聲電機(jī)的共振頻率逐漸升高，空載轉(zhuǎn)速降低，超聲電機(jī)的輸出總功率減小。
此外，壓電陶瓷易受環(huán)境溫度的影響。為保持超聲電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，可對壓電陶瓷作低溫老化處理，這些將在今后的工作中進(jìn)一步研究。
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