几个影响行波型超声电机真空低温性能的因素

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几个影响行波型超声电机真空低温性能的因素田秀，曲建俊，周宁宁(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)摘要：在真空低温的苛刻环境下，测试了盘形行波型超声电机的机械特性和负载稳定性。引入输出总功率的概念，来分析在真空低温下超声电机性能的变化情况。针对超声电机结构的特点，探讨了几个影响非常态下超声电机性能的因素，如胶粘剂、摩擦材料、压电陶瓷等，以指导非常态下的超声电机设计。结果表明，采用低温胶制作定子时，超声电机在低真空和低温．80℃环境下仍能运行。Ekonol基复合材料的摩擦性能受温度的影响较小，适合低温使用。关键词：行波型超声电机；真空；低温；摩擦材料0引言超声电机是借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动机构【l】。与传统的电磁式电机相比，它具有【J低速大转矩、结构简单重量轻、无电磁干扰、高分辨率、摩擦自锁以及耐真空低温等优点，这与太空环境驱动器的要求相吻合。目前，真空、高／低温、湿热交变以及辐射等非常态极限环境下的超声电机应用，已逐渐成为国内外的研究热点。九十年代，真空低温下的超声电机应用研究机构主要有美国的MIT[引、JpL[4巧J、NASA和日本的东京工业大学【6j。近年，NewScaleTech公司与NASA联合开发出一种商用低温超声电机，可工作在．269。C[71。Dong等【8母J利用新型耐低温压电单晶体PMN．PT取代传统压电陶瓷，研制出一种可工作在．196℃下的直线型超声电机。然而，对影响超声电机设计制作的因素，研究报道较少。在行波型超声电机的结构中，摩擦材料、压电陶瓷、粘结压电陶瓷与定子间的胶粘剂和轴承等因素，均可能受真空低温环境的影响。因此，本文针对上述因素，对超声电机的结构进行了考察。本文在低真空5Pa下，逐渐降低环境温度到低温．80℃而后逐渐升高至常温，研究了B13模态盘形行波型超声电机的负载特性和负载稳定性随环境温度的变化情况。并针对低温真空环境，考察了压电陶瓷与定子基体间的胶粘剂，PTFE、Ekonol、PF为基体的摩擦材料，压电陶瓷等因素对超声电机性能的影响，进而改进了超声电机的结构。此后，利用改进的超声电机，测试了其在真空低温下的性能。旨在探索超声电机及其摩擦材料在真空低温下的性能，为真空低温下的电机的设计提供试验依据。1实验部分1．1试验装置试验采用的超声电机特性测试台的结构组成如图1所示。图l中间部分为超声电机加载结构，它采用40盘形行波型超声电机，其定子的内圆固定，振动模态为Bl3模态，该结构导热性良好。压电陶瓷粘于定子基体上，厚度为lmm。摩擦材料粘．．356．． 在转子上，由下端的弹簧给定、转子加载预压力。试验台上方装有磁滞制动器，通过弹性联轴器与转子轴连接，给超声电机提供负载，并由接近传感器和压力传感器测试超声电机的转速和转矩。试验台下板缠有铜管，利用液氮为整个试验台降温。定子底座上布置温度传感器测试定子温度，将试验台放入真空低温腔内。真空低温测试系统如图2所示，它由真空腔、真空控制部分、超声电机控制部分和低温控制部分组成。真空控制柜可使真空腔内实现从常态到高真空状态5×10。Pa的连续变化。低温控制部分可使真空腔内实现由常态到低温．192℃的连续变化。二者共同作用可使真空腔内获得真空低温的特殊环境。1．弹性联轴器；2．转予：3．摩擦材料；4．定子5．压电陶瓷；6一弹簧；7．轴承；8．压力传感器9．接近传感器：10．磁滞制动器图l超声电机特性测试台示意图图2超声电机真空低温测试系统1．2实验方法试验采用B13模态40盘形行波型超声电机。在低真空5Pa环境下，将环境温度从室温降至一80℃。在试验中，超声电机的激励频率均选在高于该温度下的共振频率0．2KHz处，激励电压300V，预压力17．4N。①当考察胶粘剂对电机性能的影响时，用爱牢达胶(Araldite2011)和低温胶(DW-3)2种胶粘剂，粘定子金属体和压电陶瓷，并采用Ekonol基摩擦材料，测试了超声电机的机械特性；②当考察摩擦材料对电机性能的影响时，使用以PTFE、Ekonol和PF为基体的摩擦材料，测试超声电机的机械特性和-804C时的空载转速稳定性。③最后，使用低温胶和Ekonol摩擦材料，测试了改进后的超声电机的机械特性和在负载13N．mm下的转速稳定性(其中一80。C时的转速为空载转速)。1．3超声电机性能试验分析方法一般的，超声电机的机械特性曲线走势有3种情况，如图3所示。当机械特性呈下凹的斜线时，称为超声电机：?的软特性；当机械特性曲线呈上凸的斜线时，称为超声电。机的硬特性。将坐标轴与机械特性曲线下方所围成的面积定义为MdP=』N·dM，(1)0这里，P称为输出总功率，Ⅳ、No、吩蚴分别为超声电机的转速、空载转速、转矩和堵转力矩。P表征了超oMdMf图3摩擦材料对应的机械特性特征声电机从空载到堵转的输出功率总和，它兼顾了超声电机的转速和转矩特性，综合反映了超声电．357． 机驱动能力的大小。因此，可以用P的大小来评价超声电机在不同环境下的驱动性能的好坏，以及评价不同摩擦材料的优劣。认为当输出总功率P的值较大时，超声电机取得性能较好；反之亦然。前述试验表吲m]，超声电机的结构受低真空的影响较小。而在超声电机结构中，定子弹性体与压电陶瓷间的胶粘剂、摩擦材料、压电陶瓷和轴承等因素都可能受低温环境的影响。下文对胶粘剂、摩擦材料、压电陶瓷3个因素加以探讨。2结果与讨论2．1胶粘剂的影响超声电机依靠压电陶瓷使定子弹性体产生超声波振动，粘结压电陶瓷和定子的胶粘剂，起传递振动的重要作用。分别以爱牢达胶和低温胶为胶粘剂，测得了不同胶粘剂在真空低温环境下的超声电机机械特性，并由机械特性数据求出输出总功率。图4为使用2种胶粘剂时，超声电机的输出总功率随温度的变化曲线。由图4可见，当使用爱牢达胶粘剂时，超声电机在真空常温下的输出总功率较大，为780mW，而随着环境温度下降，输出总功率迅速下降，当环境温度降至0℃时，输出总功率下降了70％，而后，随环境温度下降，输出总功率下降速度变缓，当环境温度降至一45℃时，该电机不能运行；而当使用低温胶粘剂时，超声电机在真空O'C时的输出总功率是使用爱牢达胶时的6．3倍，随环境温度下降，输出总功率也下降，当环境温度降至一60℃时，下降幅度变缓，超声电机在-80。C下仍能运行。表明，环≥E琵擗巷蘧五辑图4超声马达输出总功率随温度的变化曲线境温度对爱牢达胶的粘结韧性影响较大，随着温度降低，该胶的脆性增大，弹性减小，传递振动能的效果变差；而该种低温胶粘剂可以在一260。C下使用，温度在一80℃以上时，低温对该胶的粘结韧性影响较小。因此，在制作真空低温使用的超声电机时，应选用低温胶粘剂来粘结定子弹性体和压电陶瓷。2．2摩擦材料的影响．．358．． Ekonol、PF基摩擦材料时，在一80℃下超声电机的空载转速曲线。可见，随着时间增加，Ekonol基和PTFE基摩擦材料对应的空载转速较稳定，而PF基摩擦材料对应的空载转速波动较大。这是由于在真空低温环境下，PF基摩擦材料的磨损较大，磨掉的磨屑形成磨粒磨损，硬磨粒不定期的出现在摩擦材料和定子之间，造成了摩擦不稳定，导致电机运行不稳。因此，综合比较3种摩擦材料所对应的输出总功率和空载转速稳定性，Ekonol基摩擦材料受环境温度影响较小，是较好的低温摩擦材料。2．3压电陶瓷的影响．量写七譬制按辚剁时间f／min图63种摩擦材料对应的空载转速压电陶瓷在环境温度发生改变时，各项物理性能将变差。其温度稳定性是评价压电陶瓷的一个指标。压电陶瓷的工作温度极限是在0。C和居里温度之间的一半处。若高于该温度区间，压电陶瓷会产生热退极化现象；而温度低于0。C以下时，压电陶瓷的性能稍有下降。受低温影响，压电陶瓷的电容容量升高，使压电陶瓷的介电常数、机械品质因数等性能均下降。因此，当超卢电机在低温环境中使用时，应选择受温度影响小的压电陶瓷。本文使用低温胶粘的定子，测试了不同环境温度对应的超声电机共振频率和空载转速的变化情况(图7)。所采用的压电陶瓷为山东淄博的PZT-4。由图7可见，随着环境温度下降，超声电机的共振频率逐渐升高，空载转速降低。当温度从常温20℃降至-80。C时，共振频率约上升1．5KHz，空载转速从850r．min。1降到50r．min～。当温度低于一40℃时，空载转速下降较快。2．4真空低温下的超声电机特性使用低温胶粘的定子和Ekonol基摩擦材料，测得超声电机在一80℃～0的机械特性(图8)。可见，随环境温度降低，超声电机的转速、转矩均下降，其机械特性变差。当环境温度在一40。C以下，机械特性较差，与0℃相比，一80℃时的转速和转矩分别减小了80％和70％。超声电机的负载稳定性如图9所示。可见，在-20℃以下时，随着时间增加，超声电机的转速几乎不变；而高于一20。C时，随着时间的增加，转速有所下降。这是由于，在低温下超声电机摩擦驱动产生的热量可被低温零件吸收，因而热量迅速传导出去。而在温度较高时散热较慢，累积的．．359．．量写之。删样桶州转矩M／N．mm图8在真空低温下超卢马达的机械特性 热量影响了转予摩擦材料性能，从而使转速下降。3结论在超声电机结构中，其定子弹性体与压电陶瓷间的胶粘剂、摩擦材料、压电陶瓷等都会受到低温的影响。因此，制作真空低温使用的超声电机时，应注意以下几点：11应使用低温胶粘剂粘结压电陶瓷和定子弹性体，避免胶在低温下因冷脆开裂，无法传递振动。2)Ekonol基复合材料的摩擦性能受温度的影响与其它材料相比较小，适合低温使用。i口’量L二苌蜊辩时间t／min图9在真宁低温下超声马达的负载稳定性本文的超声电机在低真空和低温．80。C的环境下仍能运行。随着环境温度下降，超声电机的共振频率逐渐升高，空载转速降低，超声电机的输出总功率减小。此外，压电陶瓷易受环境温度的影响。为保持超卢电机的运行稳定性，可对压电陶瓷作低温老化处理，这些将在今后的工作中进一步研究。参考文献上羽贞行，富川义朗，著．杨志刚，郑学伦，译．超声波电机理论与应用．上海科学技术出版社，1998．T．Morita．Miniaturepiezoelectricmotors．Sensorsandactuators，A：physical，2003，103(3)：291～300．T．S．Glenn．N．W．Hagood．Developmentofatwo—sidedpiezoelectricrotaryultrasonicmotorforhightorque．ProceedingsofSPIE，1997．3041：326-338．李华峰，辜承林．超声电机在航空航天中的应用．微电机．1998，31(6)：31～34．Y．Bar-Cohen，X．Q．Bao，W．Grandiab，eta1．Rotaryultrasonicmotorsactuatedbytravelingflexuralwaves．PartoftheSPIEConferenceonSmartStructuresandIntegratedSystemsNewportBeach，California．1999，3668(0277)：698—704．R．M．Moroney,R．M．White．R．T．Howe．Ultrasonicmicromotors．IEEEPhysicsAndApplications1990：182～188．NewScaleTechnologies，Inc．，CryogenicandUHVmotors，SQ-100CSeriescryogenicSQUIGGLEmotordataandspecifications(2005)http：／／www．newscaletech．corn／press—releases／pr050524．html．S．X．Dong，L．Yan，N．GWang，eta1．Asmall，linealpiezoelectricultrasoniccryomotor．AppliedPhysicsLetters．2005，86(5)：053501．1．3．X．N．Jiang，P．W．Rehrig．W．S．Hackenberger,eta1．AdvancedPiezoelectricSingleCrystalBasedActuators．ProceedingsofSPIE：SmartStructuresandMaterials：ActiveMaterials：BehaviorandMechanics，Bellingham，WA，2005，5761：253·262．J．J．Qu，X．Tian，N．N．Zhou．Characteristicsoftravelingwaveultrasonicmotorunderatmosphereandvacuumcyclecondition．Vacuum．2008，82(11)：1302—1305．+本研究得到了国防军工项目的资助。基金项目：国家自然科学基金资助项17(50575055)，国家重点基础研究发展计划973计划资助项目(2007CB607602)。．．360．．1i1J1{1JnuU口pH陋№口隅p¨