真空低温下环形行波超声波电机负载特性试验研究
周宁宁，曲建俊
(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)
摘要：利用自制的套真空低温超声波电机摩擦驱动特性测试系统，在真空低温复合环境下测试了环形行
波超声波电机的负载特性和负载稳定性。试验结果表明，在试验温度的范围内，随着环境温度的降低，电机的转
速、堵转力矩增加，转速随运行时问的波动减小；当环境温度低于-45℃时，电机需要多次启动才能运行，这主
要是由于在此温度以卜电机中的轴承小能正常运转的原因。
关键词：超声波电机；真空；低温
0引言
超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，通过定／转子间的摩擦来传递动力的一种新型驱动器，其重量轻、结构简单、响应快、低速大转矩以及可直接驱动负载等特点使其在医疗器械、精密仪器、机器人等领域有着广泛的应用前景，被认为是适合于航天的真空及高、低温条件下的理想驱动器。美国和日本率先开展了真空或低温环境下超声波电机驱动特性的基础性研究。目前，国内刚刚开始这方面的研究。苏娜等测试了常态和真空条件下环形行波型超声波电机的负载特性。作者在前期工作巾研究了真空度和高温对行波超声波电机驱动特性的影响，得出了一些超声波电机在非常态下的驱动特性变化规律。但是，目前在真空低温复合环境下对行波超声波电机驱动特性的研究较少，其研究的关键数据未见报道。
随着我国探月计划的提出，作为月球探测车的驱动装置，应积极发展拥有自主知识产权的超声波电机。因此，研究超声马达在真空及高／低温环境下的驱动特性其有十分重要的意义。本文在真空低温复合环境下，测试了环形行波超声波电机的负载特性和负载稳定性，为真空低温下超声波电机的研究提供了重要的试验数据。
1试验设备和方法
模拟真空与低温环境是利用试验室研制的超声波电机真空低温试验系统实现的。该测试系统如图l所示，它主要由真空腔、低温制冷装置、超声波电机驱动特性测试试验台以及真空和低温控制系统等组成。试验中，真空腔内的温度从室温至-190℃可调，控温精度±l℃，并且可实现低真空2×10oPa和高真空5×lO-3Pa两种真空状态，其中低真空由机械泵工作来实现，高真空由机械泉和扩散油泵共同工作来实现。置于真空腔中的超声波电机驱动特性测试试验台可模拟超声波电机的工作过程，并可施加一定的模拟负载力矩。
试验所用电机为B(O，9)模态环形行波型超声波电机，其外形图如图2所示。该电机定子外径为60mml，定子材料为铜，转子材料为硬铝。摩擦材料为PTFE基复合材料，摩擦材料粘帖在定子齿上。试验中，电机的温度通过一个微型温度传感器测量，温度传感器固定在电机的外壳上，将电机壳体的温度作为试验温度。试验是在真空度：2pa和不同环境温度的复合环境下进行。
2试验结果
图3为超声波电机在不同环境温度下的负载特性，从图中可以看出，超声波电机的转速和转矩随着环境温度的降低而增加。图4为在不同环境温度下，超声波电机带负载(M0．4 Nm)、运行30分钟，电机转速随时间的变化。从图4中可以看出，随着环境温度的降低，超声波电机转速随运行时间的波动减小。但是，当环境温度低于-45oc时，电机需要多次启动才能正常运行。对真空低温下超声波电机驱动特性产生上述现象的原因分析如下。
首先，温度列超声波电机的高频振动有较大的影响。随着环境温度的降低，电机定子的弹性模量变大，从而使定子固有频率增加。而此时激励定子振动的电压频率不变，则此时定子的驱动性能将发生变化。由于试验开始时，所选定电机的工作频率为电机定子在常温常压下同有频率之后0．5 kHz。固随着环境温度的降低，电机工作频率与固有频率更加接近，电机驱动能力提高，电机转速、转矩增加。
其次，温度对超声波电机定／转子接触界面摩擦驱动特性有较大的影响。由于超声波电机是通过定／转子问的摩擦力来传递运动，因此超声波电机工作时，定／转子接触界面由于摩擦将产生大量的热量，接触界面温度较高，改变_r接触 |
