摘 要：超聲電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的小型化，因此非常適合于各類航天器、精密儀器、汽車等的驅(qū)動器系統(tǒng)，但超聲電機(jī)無法正常啟動的問題存在巨大安全隱患，使其在航空航天、精密儀器等可靠性要求高的領(lǐng)域的推廣應(yīng)用受到了一定限制，因此很有必要對影響超聲電機(jī)啟動可靠性的因素進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：超聲電機(jī)；可靠性；電機(jī)啟動

中圖分類號：TM301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）33-0103-01

1 概 述

超聲電機(jī)（Ultrasonic Motor 或簡寫為USM） 一種全新概念的新型微電機(jī)，最早于20世紀(jì)60年代由前蘇聯(lián)提出超聲電機(jī)雛形，在80年代中期得到迅速發(fā)展，90年代初投入到商業(yè)應(yīng)用。和傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比優(yōu)越性十分突出，超聲電機(jī)利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)激發(fā)超聲頻率的振動，通過轉(zhuǎn)子和定子之間的摩擦產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或直線，從而輸出功率進(jìn)而驅(qū)動負(fù)載。鑒于超聲電機(jī)在結(jié)構(gòu)、體積、響應(yīng)速度、性能等方面體現(xiàn)出來的優(yōu)良性能，已經(jīng)被應(yīng)用于精密定位等方面，USM能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)小型化，因此非常適合于各類航天器、精密儀器等的驅(qū)動器系統(tǒng)。

科研人員在對超聲電機(jī)進(jìn)行研究的過程中發(fā)現(xiàn)，超聲電機(jī)使用時會出現(xiàn)無法正常啟動的問題。超聲電機(jī)是一種新型機(jī)電原件，超聲電機(jī)技術(shù)的研究與應(yīng)用涉及了力學(xué)、振動學(xué)等自然科學(xué)領(lǐng)域和材料學(xué)、電子技術(shù)、自動控制等工程技術(shù)領(lǐng)域多學(xué)科知識，任何環(huán)節(jié)都可能導(dǎo)致電機(jī)無法正常啟動，這一問題存在巨大安全隱患，影響了超聲電機(jī)可靠性，使其在航空航天、精密儀器、汽車等可靠性要求高的領(lǐng)域的推廣應(yīng)用受到了一定限制。因此，對超聲電機(jī)啟動可靠性的影響因素研究具有重要意義。

2 超聲電機(jī)機(jī)理分析

超聲電機(jī)（Ultrasonic Motor 或簡寫為USM）技術(shù)是一門多領(lǐng)域綜合交叉的新技術(shù)，深入了解超聲電機(jī)的機(jī)理對超聲電機(jī)的研究和應(yīng)用非常重要，只有了解了超聲電機(jī)的機(jī)理，才能更好的分析超聲電機(jī)啟動可靠性影響因素。

超聲振動是超聲電機(jī)的驅(qū)動源，也是超聲電機(jī)工作的最基本條件。超聲電機(jī)是基于逆壓電效應(yīng)工作的，超聲電機(jī)的機(jī)理簡單來講就是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，使定子產(chǎn)生超聲振動獲得運動和力矩。超聲電機(jī)是一種新型電機(jī)，其正常運轉(zhuǎn)需要兩個重要的能量轉(zhuǎn)化作用，這兩種轉(zhuǎn)換作用分別是機(jī)電轉(zhuǎn)換作用和摩擦轉(zhuǎn)換作用，機(jī)電轉(zhuǎn)換使壓電陶瓷以超聲波頻率振動，摩擦轉(zhuǎn)換使定子與壓電陶瓷的振動轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運行或直線運動。超聲電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成，根據(jù)電機(jī)所利用波形的差異，可以分為行波型超聲電機(jī)和駐波型超聲電機(jī)，根據(jù)運動方式區(qū)分，可以分為旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)和直線移動型超聲電機(jī)等。不論如何劃分，USM與傳統(tǒng)電機(jī)相比，超聲電機(jī)中使用了新型的壓電陶瓷材料盤替代了銅線圈，不需要通過電磁作用產(chǎn)生運動力。

3 超聲電機(jī)啟動可靠性影響因素分析

可靠性工程的誕生和發(fā)展是社會的需要，電機(jī)的可靠性一直是相關(guān)領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容，可靠性技術(shù)是提高電機(jī)質(zhì)量的重要手段。可靠性事先“看不見， 測不到”，超聲電機(jī)的可靠性和它所處的條件關(guān)系極為密切受多種因素影響。

3.1 超聲電機(jī)定子的非線性振動影響電機(jī)啟動可靠性

超聲電機(jī)運行過程中會產(chǎn)生特別明顯的非線性現(xiàn)象，超聲電機(jī)定子的非線性振動是這種現(xiàn)象的主要表現(xiàn)之一，定子的非線性振動也是影響電機(jī)可靠啟動的重要原因。超聲電機(jī)的運行直接受其定子振動的影響，定子振幅與電機(jī)運行速度成正比：當(dāng)定子振幅小時電機(jī)運行速度較慢；當(dāng)定子振幅較大時，電機(jī)所驅(qū)動的負(fù)載較大，則電機(jī)運行速度也較快。頻率變化時速度與頻率的變化曲線，如圖1所示，表明超聲電機(jī)定子振動是非線性的。越靠近共振點非線性越嚴(yán)重，遠(yuǎn)離共振點無非線性，利用定子振動的非線性采取降頻啟動的方法，可有效提高電機(jī)啟動可靠性。

3.2 電機(jī)摩擦材料

超聲電機(jī)摩擦材料對超聲電機(jī)等具有很大影響，摩擦材料的性能在很大程度上影響超聲電機(jī)啟動的可靠性。同一摩擦材料在不同厚度下對超聲電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速和啟動時間的影響，如圖2所示，摩擦材料厚度從0.1 mm增加到0.7 mm的過程中，雖然超聲電機(jī)的啟動時間逐漸縮短，但其平均轉(zhuǎn)速卻呈現(xiàn)出先升高再降低的拋物線式變化，摩擦材料厚度在0.4 mm 左右時穩(wěn)定轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值，可見，超聲電機(jī)啟動穩(wěn)定性受摩擦材料厚度的影響，因此選擇合適厚度的摩擦材料很重要。

3.3 電機(jī)摩擦材料含水率

超聲電機(jī)摩擦材料在濕度環(huán)境下性能變化對超聲電機(jī)啟動的穩(wěn)定性存在影響。超聲電機(jī)的啟動特性在不同的濕度環(huán)境下存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)子摩擦材料通常采用聚四氟乙烯基、環(huán)氧樹脂基等高分子材料，這些高分子材料的力學(xué)性質(zhì)受濕度影響較大。電機(jī)摩擦材料的含水率越高則材料所處的濕度環(huán)境越強(qiáng)，濕度增大時，高分子材料強(qiáng)度和彈性模量等都會隨著越低。小變形階段模量受濕度影響較為明顯，當(dāng)濕度不斷增大時，濕度的影響力漸弱USM的定子振動屬于小變形，因此，高分子摩擦材料的彈性模量受濕度影響較大，試驗證明轉(zhuǎn)子摩擦材料的含水率是影響其啟動穩(wěn)定性的因素之一。

4 結(jié) 語

超聲電機(jī)具有污染小、精度高、響應(yīng)快、重量輕、體積小等優(yōu)越性，是一種應(yīng)用前景非常廣泛的新型特種電機(jī)，但也存在壽命短、構(gòu)造成本高、運行不連續(xù)性等缺點。受超聲電機(jī)定子的非線性振動、摩擦材料的厚度、含水率等因素影響，超聲電機(jī)啟動的可靠性受到影響，進(jìn)而影響其在航空航天、精密儀器儀表、汽車等領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。因此，要利用定子振動的非線性，采取降頻啟動的方法，選用合適的摩擦材料等途徑提高電機(jī)啟動的可靠性，拓寬超聲電機(jī)的應(yīng)用空間。

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