非常態(tài)環(huán)境下的超聲電機(jī)研究與應(yīng)用
    
    摘要：超聲電機(jī)具有低速大扭矩、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕、精度高、掉電自鎖日無磁場(chǎng)干擾等優(yōu)良特勝，使其在特殊應(yīng)用中取代小型傳統(tǒng)電磁電機(jī)，并在非常態(tài)環(huán)境下具有廣闊的應(yīng)用前景。本文首先對(duì)非常態(tài)環(huán)境進(jìn)行界定并就非常態(tài)環(huán)境下的超聲電機(jī)研究的幾個(gè)關(guān)鍵問題，對(duì)近年米的非常態(tài)下超盧電機(jī)研究現(xiàn)狀展開論述，最后，列舉了超聲電機(jī)在非常態(tài)下的典型應(yīng)用，提出了進(jìn)一步研究的問題。
    關(guān)鍵詞：超聲電機(jī)；真空；高溫：低溫
O引言
    超聲電機(jī)(ultrasonic Motor，簡(jiǎn)稱usM)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)…。它利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，使定子彈性體表面產(chǎn)生帶有橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡質(zhì)點(diǎn)的超聲波振動(dòng)(振動(dòng)頻率>20KHz)，通過接觸摩擦力來驅(qū)動(dòng)壓在定子表面的轉(zhuǎn)移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的電磋式電機(jī)相比，超聲電機(jī)具有叫氐速大轉(zhuǎn)矩(可直接驅(qū)動(dòng))、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(司微型化)、無電磁下擾、高分辨率(可實(shí)現(xiàn)精確定位)、摩擦自鎖、起動(dòng)停止響應(yīng)快、熏量輕、噪音低以及耐低溫真空等適合太空環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，使超聲電機(jī)在些特殊領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，超聲電機(jī)已經(jīng)在航空航天、精密儀器自動(dòng)控制、微型機(jī)械系統(tǒng)、精加工設(shè)備的定位機(jī)構(gòu)、機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)以及辦公自動(dòng)化設(shè)備等諸多領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。
    目前，非常態(tài)環(huán)境下超聲電機(jī)研究主要是應(yīng)用于太卒環(huán)境，此外還應(yīng)用于光學(xué)精密儀器中的聚焦、定位等。在太空探測(cè)機(jī)構(gòu)中，承載空間和電功率十分有限。例如在一個(gè)微衛(wèi)星上所載儀器總功率要小于100w，因而分配給每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的電功率僅在O .1～10w之間。由于嵌入質(zhì)量的高成本，太空驅(qū)動(dòng)器常需要較高的輸出能量質(zhì)量比。此外，太空環(huán)境條件給出了附加限制，其主要難題是克服發(fā)射時(shí)的振動(dòng)和沖擊。典型的振動(dòng)級(jí)別通大于20g nns，因而必須分析相關(guān)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量．以求得外力。另外，暴露在太陽(yáng)光F使溫度變化范圍較大，一般可能在。150℃～150℃。若在水星和木星探測(cè)務(wù)中，溫度會(huì)更高；若在火星探測(cè)任務(wù)中，溫度會(huì)更低。抵御輻射也是技術(shù)困難之一。鑒于上述原岡，太空探測(cè)任務(wù)急需適用且性能優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)器。超聲電機(jī)的特點(diǎn)恰好與太空驅(qū)動(dòng)器的需求相吻合。此外，在光學(xué)應(yīng)用中，多種顯微鏡(例如sEM、TEM和EB等)的鏡頭圬工作在真空環(huán)境下，需要鏡頭調(diào)焦控制器能工作在該環(huán)境下，且能實(shí)現(xiàn)精密定位功能。因而使雁于太空、顯微鏡等非常態(tài)環(huán)境下的超聲電機(jī)應(yīng)用研究，己成為目前超聲電機(jī)研究的熱點(diǎn)。
1非常態(tài)的界定
    非常態(tài)環(huán)境是指真空、高低溫極限環(huán)境以及輻射等特殊環(huán)境。國(guó)內(nèi)外的學(xué)術(shù)界、政府和企業(yè)界的研究人員以其各自的應(yīng)用對(duì)象為研究背景，研究超聲電機(jī)在任意組合的極限環(huán)境下的特性。

在非常態(tài)環(huán)境中，以真卒和低溫環(huán)境最為苛刻，超聲電機(jī)的在真空和高溫環(huán)境下的特性己報(bào)道，而在真空低溫環(huán)境下的超聲電機(jī)特性，報(bào)道較少。本文針對(duì)超聲電機(jī)在真率低溫特性，綜述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的方法、關(guān)鍵問題和應(yīng)用。
2研究方法
    在對(duì)非常態(tài)下的超聲電機(jī)研究，正確的研究方法和手段是獲得有效研究數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)分別搭建了相關(guān)的研究裝置。1998年，日本東京工業(yè)_人學(xué)的石井孝明等人率先搭建了真空環(huán)境的超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)(如圖1所示)。該系統(tǒng)利用機(jī)械泵1作來實(shí)現(xiàn)lPa低真空，0用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵共同工作來實(shí)現(xiàn)1×10Pa高真空。
    2002年，哈工大搭建了真空高溫超聲電機(jī)測(cè)試裝置。該裝置利用機(jī)械泵工作來實(shí)現(xiàn)1Pa的低真空，利用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵共同工作來實(shí)現(xiàn)5×10。Pa的商真空，并利用鎢燈加熱方法來iG~E+15()c的高}N o 2006該裝置改進(jìn)為真空低溫試驗(yàn)系統(tǒng)，添置了液氮制冷控制裝置及超聲電機(jī)控制
。剝?cè)囇b置，如圖2所示。該系統(tǒng)可使真空腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)從常壓到高真空5×10從常溫到低溫一192℃為連續(xù)變化。超聲電機(jī)控制部分可以實(shí)時(shí)采集、記錄及顯示超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電機(jī)溫度、環(huán)境溫度等信息。將超聲電機(jī)特性測(cè)試臺(tái)放入真空腔內(nèi)，如圖3所示。