超聲電機啟動可靠性影響因素分析

摘 要：超聲電機能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化，因此非常適合于各類航天器、精密儀器、汽車等的驅動器系統(tǒng)，但超聲電機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域的推廣應用受到了一定限制，因此很有必要對影響超聲電機啟動可靠性的因素進行研究。

關鍵詞：超聲電機；可靠性；電機啟動

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

1 概 述

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

科研人員在對超聲電機進行研究的過程中發(fā)現(xiàn)，超聲電機使用時會出現(xiàn)無法正常啟動的問題。超聲電機是一種新型機電原件，超聲電機技術的研究與應用涉及了力學、振動學等自然科學領域和材料學、電子技術、自動控制等工程技術領域多學科知識，任何環(huán)節(jié)都可能導致電機無法正常啟動，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域的推廣應用受到了一定限制。因此，對超聲電機啟動可靠性的影響因素研究具有重要意義。

2 超聲電機機理分析

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

超聲振動是超聲電機的驅動源，也是超聲電機工作的最基本條件。超聲電機是基于逆壓電效應工作的，超聲電機的機理簡單來講就是利用壓電材料的逆壓電效應，使定子產(chǎn)生超聲振動獲得運動和力矩。超聲電機是一種新型電機，其正常運轉需要兩個重要的能量轉化作用，這兩種轉換作用分別是機電轉換作用和摩擦轉換作用，機電轉換使壓電陶瓷以超聲波頻率振動，摩擦轉換使定子與壓電陶瓷的振動轉化成轉子的旋轉運行或直線運動。超聲電機由定子和轉子兩部分構成，根據(jù)電機所利用波形的差異，可以分為行波型超聲電機和駐波型超聲電機，根據(jù)運動方式區(qū)分，可以分為旋轉型超聲電機和直線移動型超聲電機等。不論如何劃分，USM與傳統(tǒng)電機相比，超聲電機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，電機的可靠性一直是相關領域的重點研究內容，可靠性技術是提高電機質量的重要手段。可靠性事先“看不見， 測不到”，超聲電機的可靠性和它所處的條件關系極為密切受多種因素影響。

3.1 超聲電機定子的非線性振動影響電機啟動可靠性

超聲電機運行過程中會產(chǎn)生特別明顯的非線性現(xiàn)象，超聲電機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可靠啟動的重要原因。超聲電機的運行直接受其定子振動的影響，定子振幅與電機運行速度成正比：當定子振幅小時電機運行速度較慢；當定子振幅較大時，電機所驅動的負載較大，則電機運行速度也較快。頻率變化時速度與頻率的變化曲線，如圖1所示，表明超聲電機定子振動是非線性的。越靠近共振點非線性越嚴重，遠離共振點無非線性，利用定子振動的非線性采取降頻啟動的方法，可有效提高電機啟動可靠性。

3.2 電機摩擦材料

超聲電機摩擦材料對超聲電機等具有很大影響，摩擦材料的性能在很大程度上影響超聲電機啟動的可靠性。同一摩擦材料在不同厚度下對超聲電機的穩(wěn)態(tài)轉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，雖然超聲電機的啟動時間逐漸縮短，但其平均轉速卻呈現(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)定轉速達到最大值，可見，超聲電機啟動穩(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 電機摩擦材料含水率

超聲電機摩擦材料在濕度環(huán)境下性能變化對超聲電機啟動的穩(wěn)定性存在影響。超聲電機的啟動特性在不同的濕度環(huán)境下存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。超聲電機的轉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性質受濕度影響較大。電機摩擦材料的含水率越高則材料所處的濕度環(huán)境越強，濕度增大時，高分子材料強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 語

超聲電機具有污染小、精度高、響應快、重量輕、體積小等優(yōu)越性，是一種應用前景非常廣泛的新型特種電機，但也存在壽命短、構造成本高、運行不連續(xù)性等缺點。受超聲電機定子的非線性振動、摩擦材料的厚度、含水率等因素影響，超聲電機啟動的可靠性受到影響，進而影響其在航空航天、精密儀器儀表、汽車等領域的進一步推廣應用。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啟動的可靠性，拓寬超聲電機的應用空間。

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