羅 婕, 樊俊峰, 司永順, 孫騰飛, 尚愛(ài)華

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部機(jī)械系統(tǒng)事業(yè)部 北京，100094)

1 問(wèn)題的引出

超聲電機(jī)(ultrasonic motor，簡(jiǎn)稱USM)是近30年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新概念動(dòng)力裝置，它打破了由電磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的電機(jī)概念，是處于當(dāng)前學(xué)科前沿的高新技術(shù)之一。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，超聲電機(jī)具有低速大扭矩、響應(yīng)快、定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、斷電自鎖力大以及不受磁場(chǎng)干擾等諸多顯著的優(yōu)點(diǎn)[1-5]，因此在航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，尤其適用于對(duì)磁潔凈度要求很高的衛(wèi)星上。其中，行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)由于研究的較多，且運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性較高，因此與其他類型的超聲電機(jī)相比，應(yīng)用更為廣泛，是實(shí)用化的首選電機(jī)[1]。為了更好地掌握電機(jī)的特性，并在工程應(yīng)用中充分發(fā)揮其作用，需要對(duì)超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行研究，從而得到電機(jī)在不同的激發(fā)頻率下，其轉(zhuǎn)速和扭矩之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，尤其對(duì)于超聲電機(jī)在衛(wèi)星上的應(yīng)用而言，研究其在真空高低溫環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)性能至關(guān)重要。在美國(guó)和日本，許多研究者率先開展了超聲電機(jī)在非常態(tài)和真空環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)性能研究以及相關(guān)的探索性工作，但基本只有試驗(yàn)結(jié)論的報(bào)道，許多關(guān)鍵數(shù)據(jù)并未公開[6-7]。在國(guó)內(nèi)，一些研究所和高校在超聲電機(jī)研制方面也有著多年的技術(shù)積累和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但更多偏重于民用領(lǐng)域，對(duì)于電機(jī)在真空高低溫環(huán)境下的特性研究以及在航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究依然十分有限[8-10]。為了能夠?qū)⒊曤姍C(jī)更好地應(yīng)用到航天器上，滿足國(guó)防和航天技術(shù)的發(fā)展需求，還有很多的研究工作亟待開展。

筆者主要針對(duì)行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)在電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的卷筒式伸展機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用來(lái)展開相關(guān)研究，獲得電機(jī)在真空高低溫環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試數(shù)據(jù)，并和常溫常壓環(huán)境下的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供重要的試驗(yàn)依據(jù)。電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星是我國(guó)首顆面向地震研究及應(yīng)用、用于監(jiān)測(cè)全球空間電磁場(chǎng)、電磁波、電離層等離子、高能粒子沉降等物理量的空間試驗(yàn)衛(wèi)星，星上配置有高精度電場(chǎng)探測(cè)儀。卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)是將電場(chǎng)探測(cè)儀伸展到距星體一定距離的指定位置，并使其滿足測(cè)試條件的關(guān)鍵產(chǎn)品，它的核心部件是由一種高彈性合金材料所制成的彈性卷筒，如圖 1所示。初始時(shí)，彈性卷筒處于收攏狀態(tài)，并置于儲(chǔ)藏罐中，當(dāng)開始伸展時(shí)，它依靠自身彈性實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)，并伸展形成具有一定剛度的薄壁管，從而實(shí)現(xiàn)支撐功能，其伸展總長(zhǎng)度約為4.5 m。

圖1 彈性卷筒結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Elastic coiling block structure

彈性卷筒在儲(chǔ)藏罐中處于收攏狀態(tài)時(shí)，其長(zhǎng)度不足0.5 m，因此在壓縮過(guò)程中儲(chǔ)存了較大的彈性能量。在伸展過(guò)程中，如果不加以控制，它會(huì)依靠自身的儲(chǔ)能快速地彈射出去，這會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊，很有可能造成卷筒撕裂或結(jié)構(gòu)變形，大大降低產(chǎn)品的精度。為了解決這一問(wèn)題，必須控制彈性卷筒的伸展速度?，F(xiàn)在擬采用行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)速度控制，通過(guò)一個(gè)電纜繞筒組件將超聲電機(jī)與彈性卷筒上的控制電纜相連接，在彈性卷筒展開時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)超聲電機(jī)的激發(fā)頻率來(lái)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而間接控制彈性卷筒的伸展速度。

一般來(lái)說(shuō)，超聲電機(jī)是作為驅(qū)動(dòng)源使用的，因此在研究超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能時(shí)，多數(shù)情況下對(duì)其施加的是反向負(fù)載，即負(fù)載扭矩方向與超聲電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反。而在卷筒式伸展機(jī)構(gòu)上，超聲電機(jī)是作為彈性卷筒的負(fù)載來(lái)使用的，其目的是對(duì)彈性卷筒伸展起到拖拽和阻緩的作用。對(duì)超聲電機(jī)來(lái)講，彈性卷筒為其施加了一個(gè)同向負(fù)載，即負(fù)載扭矩方向與超聲電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相同，目前國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到有關(guān)同向負(fù)載方面研究。因此，開展超聲電機(jī)在同向負(fù)載下的驅(qū)動(dòng)性能研究及真空高低溫環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生的影響，這對(duì)于優(yōu)化超聲電機(jī)設(shè)計(jì)、保證卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)安全可靠地實(shí)現(xiàn)展開功能以及促進(jìn)超聲電機(jī)在航天領(lǐng)域的推廣應(yīng)用都有著十分重要的意義。

2 測(cè)試原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 常溫常壓環(huán)境下的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于彈性卷筒在伸展過(guò)程中，控制電纜給超聲電機(jī)施加的力矩在0～0.7 N·m范圍內(nèi)，因此需要研究行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)在較小的同向負(fù)載下，其轉(zhuǎn)速和負(fù)載扭矩之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)測(cè)試要求，設(shè)計(jì)并搭建了一套測(cè)試系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的研究(常溫常壓環(huán)境)，其原理如圖2所示。該測(cè)試系統(tǒng)由超聲電機(jī)及控制器、高精度扭矩傳感器及顯示儀表、直流力矩電機(jī)及控制器、彈性聯(lián)軸器以及安裝底座等組成，其中直流力矩電機(jī)的作用便是模擬同向負(fù)載，給超聲電機(jī)施加一個(gè)與其旋轉(zhuǎn)方向相同的扭矩，并通過(guò)高精度扭矩傳感器來(lái)測(cè)出施加的扭矩值大小。需要提及的是，在選擇直流力矩電機(jī)的輸出力矩指標(biāo)范圍時(shí)，需要考慮到給超聲電機(jī)施加力矩的范圍(0～0.7 N·m)，為了保證精度，直流力矩電機(jī)輸出力矩指標(biāo)范圍不能選得太大。根據(jù)實(shí)際需求，最終選擇了輸出力矩范圍為0～5 N·m的直流力矩電機(jī)。

圖2 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試原理(常溫常壓環(huán)境)Fig.2 Driving performance testing principle of ultrasonic motor(under normal temperature and normal pressure environment)

測(cè)試過(guò)程說(shuō)明：當(dāng)超聲電機(jī)控制器以某一固定的頻率激發(fā)超聲電機(jī)時(shí)，超聲電機(jī)的輸出軸將以一定的轉(zhuǎn)速開始旋轉(zhuǎn)，此時(shí)啟動(dòng)直流力矩電機(jī)，使其以相同的旋轉(zhuǎn)方向和超聲電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)直流力矩電機(jī)控制器上的速度旋鈕，可以控制直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速和超聲電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速相同時(shí)，此時(shí)扭矩傳感器的讀數(shù)為零，也就是說(shuō)，此時(shí)施加到超聲電機(jī)上的負(fù)載扭矩為零，當(dāng)逐漸增大直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)(旋轉(zhuǎn)方向不變)，此時(shí)可以觀察到扭矩傳感器的讀數(shù)也會(huì)逐漸增大，說(shuō)明此時(shí)施加給超聲電機(jī)的是同向負(fù)載，且負(fù)載扭矩值可以通過(guò)調(diào)節(jié)直流力矩電機(jī)來(lái)進(jìn)行改變。需要說(shuō)明的是，由于直流力矩電機(jī)和超聲電機(jī)是通過(guò)聯(lián)軸器連接在一起的，因此它們的轉(zhuǎn)速是相同的。通過(guò)扭矩傳感器進(jìn)行讀數(shù)，使扭矩值從0逐漸增加到0.7 N·m，變化步長(zhǎng)為0.1 N·m，在每個(gè)扭矩值下，通過(guò)直流力矩電機(jī)控制器上的速度顯示窗口可以獲得此時(shí)直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，該值即為超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，由此便可以得到超聲電機(jī)在較小的同向負(fù)載下(0～0.7 N·m)負(fù)載扭矩和轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，該曲線反映了超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能。

2.2 真空高低溫環(huán)境下的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在真空罐內(nèi)進(jìn)行電機(jī)類產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試時(shí)，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)磁流體進(jìn)行密封和傳動(dòng)，將罐內(nèi)的電機(jī)與罐外的設(shè)備進(jìn)行軸向連接。但是磁流體對(duì)扭矩的傳輸有一定的衰減作用，由于研究的是超聲電機(jī)在較小同向負(fù)載下的驅(qū)動(dòng)性能，負(fù)載扭矩范圍為0～0.7 N·m，若仍采用磁流體傳動(dòng)的方式，會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)較大的誤差，難以控制測(cè)量精度。有相關(guān)單位曾采用這種方法對(duì)超聲電機(jī)在較小負(fù)載下的驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果由于磁流體對(duì)扭矩的衰減影響了測(cè)試結(jié)果，從而導(dǎo)致測(cè)試方法失敗。因此，為了避免出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，筆者在進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將高精度扭矩傳感器和直流力矩電機(jī)連同超聲電機(jī)一起放在真空罐內(nèi)，此時(shí)通過(guò)罐外的顯示儀表讀出扭矩傳感器的數(shù)值，即為超聲電機(jī)負(fù)載扭矩的真實(shí)值，這樣便避免了因扭矩衰減而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。

不過(guò)，超聲電機(jī)在進(jìn)行真空高低溫試驗(yàn)時(shí)，要求溫度變化范圍為-40～+50 ℃，此時(shí)必須考慮到罐內(nèi)測(cè)試設(shè)備對(duì)溫度變化的承受能力。根據(jù)設(shè)備的標(biāo)稱使用溫度，直流力矩電機(jī)可承受的工作溫度范圍為-55～+60 ℃，而高精度扭矩傳感器可承受的工作溫度范圍僅為-30～+30 ℃，因此為了保證扭矩傳感器的讀數(shù)準(zhǔn)確，測(cè)試精度不會(huì)下降，需要對(duì)扭矩傳感器采用控溫措施，使其在真空罐內(nèi)的工作溫度始終維持在-30～+30 ℃范圍內(nèi)。

圖3所示為超聲電機(jī)在真空罐內(nèi)進(jìn)行同向負(fù)載下驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試的原理圖。將超聲電機(jī)和高精度扭矩傳感器之間的連接軸適當(dāng)加長(zhǎng)，并采用導(dǎo)熱性差的鈦軸，從而減小超聲電機(jī)本身的溫度變化對(duì)扭矩傳感器溫度的影響。在試驗(yàn)過(guò)程中，超聲電機(jī)放置在紅外加熱籠內(nèi)，靠紅外加熱籠加熱和熱沉液氮制冷的方式來(lái)達(dá)到其所需的高低溫工況；而直流力矩電機(jī)和高精度扭矩傳感器放置在溫控盒內(nèi)，通過(guò)調(diào)整溫控盒的溫度，來(lái)控制測(cè)試設(shè)備(主要是高精度扭矩傳感器)始終工作在-30～+30 ℃范圍內(nèi)，從而保證測(cè)試精度。測(cè)試時(shí)的實(shí)物圖照片如圖4所示，測(cè)試過(guò)程和3.1節(jié)中常溫常壓環(huán)境下的測(cè)試過(guò)程是一樣的。

圖3 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試原理(真空高低溫環(huán)境下)Fig.3 Driving performance testing principle of ultrasonic motor(under vacuum and high-low temperature environment)

圖4 驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖(真空高低溫環(huán)境下)Fig.4 Real objects of driving performance testing system(under vacuum and high-low temperature environment)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

超聲電機(jī)在真空罐內(nèi)進(jìn)行真空高低溫試驗(yàn)的條件如下：

1) 環(huán)境壓力≤6.65×10-3Pa；

2) 試驗(yàn)溫度-40～+50 ℃；

3) 循環(huán)次數(shù)3.5次；

4) 溫度平均變化速率≥1 ℃/min；

5) 停留時(shí)間高溫停1.5 h，低溫停1.0 h。

3.1 扭矩傳感器控溫測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，在高精度扭矩傳感器表面粘貼了熱電偶，用于監(jiān)測(cè)在高低溫循環(huán)過(guò)程中，扭矩傳感器表面的溫度變化，變化曲線如圖 5所示?？梢钥吹剑ㄟ^(guò)采取合理的控溫措施，可以將高精度扭矩傳感器的工作溫度控制在-30～+30 ℃范圍內(nèi)，保證其測(cè)試精度，從而獲得有效的測(cè)試結(jié)果。

圖5 高精度扭矩傳感器的控溫測(cè)試結(jié)果Fig.5 The temperature control testing result of high precision torque transducer

3.2 在同向負(fù)載下的驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試結(jié)果及對(duì)比分析

超聲電機(jī)在對(duì)彈性卷筒的伸展過(guò)程進(jìn)行控速時(shí)，主要使用的是B09模態(tài)，因此本試驗(yàn)主要針對(duì)超聲電機(jī)在B09模態(tài)下的驅(qū)動(dòng)性能展開研究。

通過(guò)激光測(cè)振系統(tǒng)測(cè)出超聲電機(jī)定子的B09模態(tài)所對(duì)應(yīng)的峰值頻率一般在39.5～40 kHz范圍內(nèi)。從理論上講，為了在定子中激發(fā)出B09模態(tài)，提供給超聲電機(jī)的激勵(lì)電壓頻率應(yīng)為B09模態(tài)所對(duì)應(yīng)的峰值頻率。但是在實(shí)際情況中，由于定子在峰值頻率處的振幅太大，很容易造成陶瓷片斷裂，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在超聲電機(jī)實(shí)際工作時(shí)所提供給它的激勵(lì)電壓頻率一般在40.5～43.0 kHz之間，這樣既可以激發(fā)出較純的B09模態(tài)，又不會(huì)出現(xiàn)陶瓷片因振幅過(guò)大而斷裂的情況。

圖 6～圖 8所示是60型超聲電機(jī)在3個(gè)激發(fā)頻率值下(42.3，41.5，40.8 kHz)，分別在常溫常壓環(huán)境下和真空高低溫環(huán)境下，所測(cè)得的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線，其中橫軸代表同向負(fù)載扭矩值(0～0.7 N·m，變化步長(zhǎng)為0.1 N·m)，縱軸代表超聲電機(jī)在不同扭矩值下所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值。需要說(shuō)明的是，在進(jìn)行真空高低溫試驗(yàn)過(guò)程中，只在高溫工況+50℃和低溫工況-40℃時(shí)對(duì)超聲電機(jī)通電并完成驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試，在升溫和降溫的過(guò)程中超聲電機(jī)不工作。

圖6 超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線(激發(fā)頻率42.3 kHz)Fig.6 Speed-torque curves of ultrasonic motor (excitation frequency: 42.3 kHz)

圖7 超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線(激發(fā)頻率41.5 kHz)Fig.7 Speed-torque curves of ultrasonic motor (excitation frequency: 41.5 kHz)

圖8 超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線(激發(fā)頻率40.8 kHz)Fig.8 Speed-torque curves of ultrasonic motor (excitation frequency:40.8 kHz)

通過(guò)對(duì)圖6～圖8的驅(qū)動(dòng)性能曲線(即轉(zhuǎn)速-扭矩曲線)分析和對(duì)比，可以總結(jié)出以下規(guī)律。

1) 無(wú)論在常溫常壓環(huán)境下，還是在真空高低溫環(huán)境下，隨著同向負(fù)載的扭矩值逐漸增大，超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速值也是逐漸增大的，而且基本呈線性增長(zhǎng)。

2) 在相同環(huán)境條件下和相同負(fù)載扭矩下，激勵(lì)電壓的頻率越低(不低于B09模態(tài)的峰值頻率)，超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越高：例如在常壓+25℃時(shí)(高低溫試驗(yàn)前)，電機(jī)在42.3,41.5和40.8 kHz的激發(fā)頻率下，所對(duì)應(yīng)的空載轉(zhuǎn)速(即同向負(fù)載為零時(shí))分別為10,20和33 r/min，這和超聲電機(jī)定子的模態(tài)特性是一致的。因?yàn)榧ぐl(fā)頻率越低，就越接近于B09模態(tài)的峰值頻率，則定子的振幅就越大，它靠摩擦力推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度就越快，因此輸出軸的轉(zhuǎn)速就越大。

3) 無(wú)論在真空高溫+50 ℃時(shí)還是真空低溫-40 ℃時(shí)，超聲電機(jī)在相同負(fù)載扭矩下的轉(zhuǎn)速相對(duì)于常壓+25 ℃時(shí)(高低溫試驗(yàn)前)的轉(zhuǎn)速都有了較大幅度的提高，而且低溫時(shí)的轉(zhuǎn)速基本都略高于高溫時(shí)的轉(zhuǎn)速。

4) 當(dāng)超聲電機(jī)經(jīng)歷了3.5個(gè)真空高低溫循環(huán)之后，再回到常壓+25 ℃時(shí)，電機(jī)在相同負(fù)載扭矩下的轉(zhuǎn)速比高低溫試驗(yàn)前有了較大幅度的增長(zhǎng)，說(shuō)明真空高低溫環(huán)境對(duì)超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能影響較大。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)設(shè)計(jì)并搭建了一套測(cè)試系統(tǒng)，完成了行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)在承受較小的同向負(fù)載時(shí)(0～0.7 N·m)，在真空高低溫環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)性能研究，獲得了有效測(cè)試數(shù)據(jù)，并通過(guò)將其和常溫常壓下的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到了一些有用的結(jié)論。試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲電機(jī)在真空高低溫環(huán)境下可以有效地工作，并且在激發(fā)頻率不變時(shí)，隨著同向負(fù)載扭矩的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速基本呈線性增長(zhǎng)，而且轉(zhuǎn)速相對(duì)于常溫常壓下的轉(zhuǎn)速有了較大提高。通過(guò)對(duì)比真空高低溫試驗(yàn)前后的測(cè)試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，真空高低溫環(huán)境確實(shí)使超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能發(fā)生了較大變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速有了大幅度增長(zhǎng)。研究者可以通過(guò)這些曲線選擇合適的激發(fā)頻率，將超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速限定在合適范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)在真空高低溫環(huán)境下對(duì)彈性卷筒伸展過(guò)程的控速。

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