基于热分析技术的极端环境下超声电机的研究和设计

Ultrasonic motors have broad applications in aeronautics and semi-conductor industry. However, results of recent researches show that this type of motors have some disadvantages operating in extreme-evnironments such as quickly rising temperature, decrease of output torque or force and bad thermal adaptablity, which seriously restrict the application prospects of ultrasonic motor driven in extreme-environments. This research starts from the temperature distribution and thermal adaptablity of ultrasonic motors and the critical effects on them,aims to investigate the influences of environmental factors on characteristics of ultrasonic motors. The research contents are as follows: Material selections of key parts of ultrasonic motors driven in extreme-environments; Thermal sources calculation and finite element analyses of temperature field of ultrasonic motors; Set up of measurements for temperature distribution and transient temperature rise of ultrasonic motors in extreme-environments; Driving and control menthods for thermal characteristics of ultrasonic motors in extreme-environments; Ultrasonic motors' optimal design for heat lost reduction and reliability improvement; Novel rotary ultraonic motor designs and driven method investigations. It will give guidelines for the novel design of ultrasonic motors driven in extreme-environments and improve the operating characteristics and environmental adaptibility of ultrasonic motors.

超声电机在航天工业和半导体工业等军民用领域中有着广泛的应用。然而，目前的现场应用结果表明超声电机在特殊环境中表现出温升快、输出力矩/力性能下降和温度适应性较差等不利现象，严重制约了超声电机在特殊环境中的应用前景。本申请从超声电机的温度场分布和温度适应性及其关键影响因素出发，明确极端环境对其产生的具体影响及机制，内容包括：极端环境下超声电机关键部件所用的材料优选；超声电机热源的计算和温度场有限元分析模型的建立；极端环境下超声电机温度场分布和随时间变化测试试验平台的研究；极端环境下超声电机温度场空间分布及随时间变化的驱动控制技术；降低发热和提高可靠性的超声电机结构的优化设计方法；新型旋转超声电机的设计以及激励方式的研究。本项目的研究成果将为应用于极端环境的超声电机设计提供指导，具有广泛的应用价值，能提高电机的工作性能和环境适应能力。

伴随我国航天技术的发展和进步，研制具有自主知识产权的应用于空间环境的超声电机日趋紧迫。以研究和设计应用于空间环境的超声电机为目标，开展了超声电机的空间复合环境试验系统、试验方案、超声电机的温度场分布与环境影响机制、新型样机的结构设计和环境对比试验等方面的研究工作，明确了不同类型结构的超声电机所适合的空间环境情况，为应用于空间环境的超声电机的设计者和使用者提供了基础的性能数据。主要研究内容如下：.1、.基于单一环境试验系统的设计经验和试验结果，设计了超声电机的高/低温、真空复合环境试验系统，为更深入地研究超声电机在温度和真空度复合的空间模拟环境下的性能变化规律提供了试验条件。各项技术参数表明，该复合环境试验系统具有较高的性能指标，基本满足应用于空间环境的超声电机的环境适应性试验要求。.2、.借助最新研制的超声电机高/低温、真空复合环境试验系统，以TRUM-60型超声电机为对象，进行了全面的超声电机复合环境试验研究。在已有单一环境试验方法的基础上，创新性提出了超声电机的复合环境试验方法，并针对测试环境严酷性的不同，提出了常规复合环境测试和极限复合环境测试两种测试级别。根据传统型TRUM电机的试验结果，提出了改进型TRUM型超声电机，并有效提高了其在极限高温环境下的性能。.3、.从理论和试验两方面研究了TRUM型超声电机的瞬态温升和稳态时的温度场分布情况。提出了超声电机的功率损耗计算方法。借助有限元软件计算了超声电机的温度场分布情况，并与试验测定结果进行了比较。更进一步地，借助计算模型研究了摩擦材料的热导率、电机尺寸、环境温度以及环境真空度对超声电机温度场分布的影响。.4、.设计了Langevin振子激励的若干新型旋转超声电机，并进行了原理验证和试验研究，目的是通过新型电机结构的设计，克服传统的旋转超声电机的粘接式陶瓷片易于断裂的难题。提出了若干结构紧凑型的方案设计。加工了试验样机，进行了相关的特性试验，验证了电机的工作原理和测试了电机的工作特性。.5、.对新型样机的机械特性、电学特性和温升特性随外界环境的变化规律进行了分析和研究。基于上述试验数据，建立了一种超声电机在空间模拟试验换环境下的综合性能评价方法，并依据评价结果，提出了不同环境下适宜选用的超声电机的类型。