非常态环境下的超声电机研究与应用
    
    摘要：超声电机具有低速大扭矩、结构简单重量轻、精度高、掉电自锁日无磁场干扰等优良特胜，使其在特殊应用中取代小型传统电磁电机，并在非常态环境下具有广阔的应用前景。本文首先对非常态环境进行界定并就非常态环境下的超声电机研究的几个关键问题，对近年米的非常态下超卢电机研究现状展开论述，最后，列举了超声电机在非常态下的典型应用，提出了进一步研究的问题。
    关键词：超声电机；真空；高温：低温
O引言
    超声电机(ultrasonic Motor，简称usM)是借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动机构…。它利用压电陶瓷的逆压电效应，使定子弹性体表面产生带有椭圆运动轨迹质点的超声波振动(振动频率>20KHz)，通过接触摩擦力来驱动压在定子表面的转移动体运动。与传统的电磋式电机相比，超声电机具有叫氐速大转矩(可直接驱动)、结构简单(司微型化)、无电磁下扰、高分辨率(可实现精确定位)、摩擦自锁、起动停止响应快、熏量轻、噪音低以及耐低温真空等适合太空环境的优点，使超声电机在些特殊领域具有广阔的应用前景。目前，超声电机已经在航空航天、精密仪器自动控制、微型机械系统、精加工设备的定位机构、机器人的关节驱动以及办公自动化设备等诸多领域得到实际应用。
    目前，非常态环境下超声电机研究主要是应用于太卒环境，此外还应用于光学精密仪器中的聚焦、定位等。在太空探测机构中，承载空间和电功率十分有限。例如在一个微卫星上所载仪器总功率要小于100w，因而分配给每个驱动器的电功率仅在O .1～10w之间。由于嵌入质量的高成本，太空驱动器常需要较高的输出能量质量比。此外，太空环境条件给出了附加限制，其主要难题是克服发射时的振动和冲击。典型的振动级别通大于20g nns，因而必须分析相关运动质量．以求得外力。另外，暴露在太阳光F使温度变化范围较大，一般可能在。150℃～150℃。若在水星和木星探测务中，温度会更高；若在火星探测任务中，温度会更低。抵御辐射也是技术困难之一。鉴于上述原冈，太空探测任务急需适用且性能优良的驱动器。超声电机的特点恰好与太空驱动器的需求相吻合。此外，在光学应用中，多种显微镜(例如sEM、TEM和EB等)的镜头圬工作在真空环境下，需要镜头调焦控制器能工作在该环境下，且能实现精密定位功能。因而使雁于太空、显微镜等非常态环境下的超声电机应用研究，己成为目前超声电机研究的热点。
1非常态的界定
    非常态环境是指真空、高低温极限环境以及辐射等特殊环境。国内外的学术界、政府和企业界的研究人员以其各自的应用对象为研究背景，研究超声电机在任意组合的极限环境下的特性。

在非常态环境中，以真卒和低温环境最为苛刻，超声电机的在真空和高温环境下的特性己报道，而在真空低温环境下的超声电机特性，报道较少。本文针对超声电机在真率低温特性，综述了国内外学者研究的方法、关键问题和应用。
2研究方法
    在对非常态下的超声电机研究，正确的研究方法和手段是获得有效研究数据的关键。几个研究机构分别搭建了相关的研究装置。1998年，日本东京工业_人学的石井孝明等人率先搭建了真空环境的超声电机的驱动特性试验系统(如图1所示)。该系统利用机械泵1作来实现lPa低真空，0用机械泵和扩散泵共同工作来实现1×10Pa高真空。
    2002年，哈工大搭建了真空高温超声电机测试装置。该装置利用机械泵工作来实现1Pa的低真空，利用机械泵和扩散泵共同工作来实现5×10。Pa的商真空，并利用钨灯加热方法来iG~E+15()c的高}N o 2006该装置改进为真空低温试验系统，添置了液氮制冷控制装置及超声电机控制
。剥试装置，如图2所示。该系统可使真空腔内实现从常压到高真空5×10从常温到低温一192℃为连续变化。超声电机控制部分可以实时采集、记录及显示超声电机的转速、转矩、电机温度、环境温度等信息。将超声电机特性测试台放入真空腔内，如图3所示。