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(duì)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(duì)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(duì)上述因素，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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 |
