用于低温真空条件下的螺母型超声电机的研究

本申请提出一种螺母型驱动的旋转直线超声电机。这一创新设计，既减小了超声电机占据的空间又提高了驱动效率和结构可靠性；另外，目前，超声电机主要采用的压电材料是锆钛酸铅，不适用于温度低于 -40摄氏度的环境应用。弛豫铁电体单晶是一种适合低温条件下使用的压电材料。为了满足低温、真空环境和在狭小的空间中对驱动器的需要，本申请提出把单晶压电材料用于螺纹驱动型的超声电机，制作出适合低温、真空和航天等极端条件下应用的能进行旋转和精密直线定位的原理样机。该课题的主要研究内容包括：1、研究由单晶压电材料激励的低电压、大力矩结构的螺纹驱动超声电机，并对其进行数学模拟，建立相应的数学模型；2、研究适合压电单晶超声电机在航天条件下应用的定、转子摩擦付材料；3、研究定、转子之间施加预压力与边界约束条件匹配的规律；4研究在低温、真空条件下，超声电机寿命与预压力、振幅、温度以及真空度的关系。研究成果具有独立知识产权。

超声电机具有低转速、磁干扰小、无需润滑、结构简单、响应快等特点，适合在低温，真空环境中工作。本基金项目中研究了一种用单晶压电材料驱动的螺母型超声电机。螺母型超声电机的定子由金属基体和压电片组成，金属基体呈螺母状，压电片粘在螺母的侧平面，驱动定子产生特殊形式的振动。螺母中心的螺杆是转子。定子的振动通过摩擦驱动转子转动，螺纹将转子的转动变成直线运动。. 为了研制出实用的超声电机，我们开展了超声电机摩擦机理研究，边界约束匹配的研究，结构优化研究和真空低温实验，并研制出了单晶螺母型超声电机的样机。该超声电机在高温超导滤波器中进行了实验，用于可调高温超导滤波器的调谐。实验结果表明，我们研制的单晶螺母型超声电机，用于高温超导滤波器的调谐是可行的。. 超声电机的驱动是依靠振动摩擦。因此我们研究了振动摩擦机理。我们建立了一个实验装置，进行了大量实验，根据实验结果，我们提出了一个新的振动摩擦的模型。这个振动摩擦模型不但可以描述摩擦系数随振动振幅变化的规律还可以描述摩擦系数随界面相对移动速度变化的规律。.我们前期工作中对螺母型超声电机的固定方式研究的不够。一般采用柔性胶粘接方式进行固定。但这种固定方式对振动有明显的影响。为了得到较好的定子边界约束方式，我们提出了三种可能的定子边界的约束设计方案，并进行了数值模拟分析和实验验证。. 多数超声电机都是双相电路驱动。我们提出一种单相电压驱动的螺母型超声电机。与一般超声电机相比，这种电机的优点在于简化了对超声电机控制电源输出两相相位差为90的电压控制信号的要求，同时保留了双向驱动能力。. 最后研制出的单晶螺母型超声电机。当选择峰峰工作电压为11.4V, 驱动频率30.25kHz, 步进的直线步进精度为0.2~1um，最大行程为3mm，电机的速度响应时间为0.15s左右。最低观察温度为45K，达到了高温超导滤波器的调谐的要求。