幾個影響行波型超聲電機真空低溫性能的因素
田秀，曲建俊，周寧寧
(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：在真空低溫的苛刻環境下，測試了盤形行波型超聲電機的機械特性和負載穩定性。引入輸出總功率的概念，來分析在真空低溫下超聲電機性能的變化情況。針對超聲電機結構的特點，探討了幾個影響非常態F超聲電機性能的因素，如膠粘劑、摩擦材料、壓電陶瓷等，以指導非常態下的超聲電機設計。結果表明，采用低溫膠制作定子時，超聲電機在低真空和低溫-80℃環境下仍能運行。Ekon01基復合材料的摩擦性能受溫度的影響較小，適合低溫使用：
關鍵詞：行波型超聲電機；真空；低溫；摩擦材料
O引言
超聲電機是借助摩擦傳遞彈性超聲波振動以獲得動力的驅動機構[1]。與傳統的電磁式電機相比，它具有“低速大轉矩、結構簡單重量輕、無電磁干擾、高分辨率、摩擦自鎖以及耐真空低溫等優點，這與太空環境驅動器的要求相吻合。目前，真空、高／低溫、濕熱交變以及輻射等非常態極限環境下的超聲電機應用，已逐漸成為國內外的研究熱點。九十年代，真空低溫下的超聲電機應用研究機構主要有美國的MIT[3]、JPL[4,5]、NASA和日本的東京工業大學[6]。近年，New scale Tech公司與NASA聯合開發出一種商用低溫超聲電機，可工作在-269℃[7]。Doilg等[8-9]利用新型耐低溫壓電單晶體PMN-PT取代傳統壓電陶瓷，研制出一種可工作在-196℃下的直線型超聲電機。然而，對影響超聲電機設計制作的因素，研究報道較少。在行波型超聲電機的結構中，摩擦材料、壓電陶瓷、粘結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境的影響。因此，本文針對上述因素，對超聲電機的結構進行了考察。
本文在低真空5Pa下，逐漸降低環境溫度到低溫-80℃而后逐漸升高至常溫，研究了B13模態盤形行波型超聲電機的負載特性和負載穩定性隨環境溫度的變化情況。并針對低溫真空環境，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性能的影響，進而改進了超聲電機的結構。此后，利用改進的超聲電機，測試了其在真空低溫下的性能。旨在探索超聲電機及其摩擦材料在真空低溫、F的性能，為真空低溫下的電機的設計提供試驗依據。
1實驗部分
1．1試驗裝置
試驗采用的超聲電機特性測試臺的結構組成如圖l所示。
圖1中間部分為超聲電機加載結構，它采用40盤形行波型超聲電機，其定子的內圓固定，振動模態為B13模態，該結構導熱性良好。壓電陶瓷粘于定子基體上，厚度為1mm。摩擦材料粘在轉子上，由下端的彈簧給定、轉子加載預壓力。試驗臺上方裝有磁滯制動器，通過彈性聯軸器與轉子軸連接，給超聲電機提供負載，并由接近傳感器和壓力傳感器測試超聲電機的轉速和轉矩。試驗臺下板纏有銅管，利用液氮為整個試驗臺降溫。定子底座上布置溫度傳感器測試定子溫度，將試驗臺放入真空低溫腔內。真空低溫測試系統如圖2所示，它由真空腔、真空控制部分、超聲電機控制部分和低溫控制部分組成。真空控制柜可使真空腔內實現從常態到高真空狀態5×10-3Pa連續變化。低溫控制部分可使真空腔內實現由常態到低溫-192℃的連續變化。二者共同作用可使真空腔內獲得真空低溫的特殊環境。
1．2實驗方法
試驗采用B13，模態40盤形行波型超聲電機。在低真空5Pa環境下，將環境溫度從室溫降至-80℃。在試驗中，超聲電機的激勵頻率均選在高于該溫度下的共振頻率0．2KHz處，激勵電壓300V，預壓力17.4N。①當考察膠粘劑對電機性能的影響時，用愛牢達膠(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，測試了超聲電機的機械特性；②當考察摩擦材料對電機性能的影響時，使用以PTFE、Ekonol和PF為基體的摩擦材料，測試超聲電機的機械特性和-80℃時的空載轉速穩定性。③最后，使用低溫膠和Ekon01摩擦材料，測試了改進后的超聲電機的機械特性和在負載13N mm下的轉速穩定性(其中80℃時的轉速為空載轉速)。
1.3超聲電機性能試驗分析方法
一般的，超聲電機的機械特性曲線走勢有3種情況，如圖3所示。當機械特性呈下凹的斜線時，稱為超聲電機的軟特性；當機械特性曲線呈上凸的斜線時，稱為超 |
