[发明专利]基于堵转力矩仿真的超声电机贮存寿命预测方法

说明书

本发明公开了基于堵转力矩仿真的超声电机贮存寿命预测方法，包括7个步骤，即步骤1，建立超声电机堵转力矩仿真模型；步骤2，根据实测结果修正堵转力矩仿真模型；步骤3，监测贮存中超声电机定子组件压电常数、整机阻抗谐振频率的变化数据；步骤4，基于谐振频率变化测试数据，通过模态分析反推预紧力变化；步骤5，根据压电常数、预紧力的变化，计算堵转力矩的变化；步骤6，堵转力矩退化建模；步骤7，结合失效判据给出贮存寿命预测结果。本发明采用无损测试手段结合仿真模型实现堵转力矩变化和贮存寿命的预测，避免对定子组件和转子组件之间摩擦副的磨损和对电机贮存寿命的损伤，且多次修正仿真模型，确保预测电机贮存寿命的准确性。

技术领域

本发明涉及航天与超声电机技术领域，尤其涉及基于堵转力矩仿真的超声电机贮存寿命预测方法。

背景技术

超声电机是一种新型电机，具有体积小、重量轻，转矩/重量比大、断电自锁、无电磁干扰等优点。超声电机的核心元件是压电陶瓷，压电陶瓷粘贴在定子弹性体上，在超声频段(大于20kHz)交变电压驱动下，通过逆压电效应在定子齿面产生特殊的振动，进而在摩擦力作用下驱动转子转动。超声电机不需要线圈、磁铁、减速器，与传统的电磁电机有本质的区别，这是超声电机诸多优点的根本原因，并决定超声电机在航空航天、精密仪器仪表、智能机器人等军民领域有着重要应用。美国“机遇号”和“好奇号”火星车，我国嫦娥五号、张衡一号探测器均应用了超声电机。

随着各类军民产品寿命和可靠性要求不断提高，超声电机长时间贮存的场景越来越多，例如某导弹用超声电机要求贮存寿命18年，而应用超声电机的嫦娥五号发射前在地面贮存3年。超声电机在长时间贮存过程中容易发生性能漂移、蠕变，例如压电陶瓷压电常数下降、预紧力下降等，直接影响贮存后的工作性能。因此，在贮存过程中预估超声电机性能退化以及贮存寿命，对贮存期满后能否成功完成任务非常重要。

当前评价超声电机的贮存寿命主要采用边贮存、边测试、边评估的方法，即贮存过程中间歇性的测试超声电机的谐振频率、堵转力矩等性能参数。其中堵转力矩是直接反映超声电机驱动能力的性能，也是决定贮存寿命的主要参数。获得这些参数的变化规律，就有可能预测超声电机的贮存寿命。但这种方法一个重大不足是：电机堵转时，定子组件和转子组件之间处于剧烈摩擦的状态，对超声电机寿命是有较明显损伤的，贮存过程中多次测试堵转力矩会导致贮存寿命预测结果失真。试想，如果可以通过阻抗频响测试、压电常数测试等对超声电机无损伤的测试手段即可准确得到堵转力矩的变化，进而预测贮存寿命，将是一个有前景的技术解决途径。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的基于堵转力矩仿真的超声电机贮存寿命预测方法。本发明的核心在于如何基于堵转力矩仿真，并融合阻抗频响测试、压电常数测试等对超声电机无损伤测试手段获得的数据获得堵转力矩变化数据，进而通过堵转力矩退化建模获得贮存寿命。

本发明采用了如下的技术方案，其中仿真分析均基于ANSYS-Workbench商用有限元软件：

参考图1，基于堵转力矩仿真的超声电机贮存寿命预测方法的步骤依次如下：

步骤1，建立超声电机堵转力矩仿真模型；

本步骤的具体子步骤见图2；

子步骤1A：建立超声电机定子组件和转子组件的有限元模型，完成网格剖分，设置材料参数、压电陶瓷分区、接触对、约束边界；

具体的，参考图3和图4，定子组件包括弹性体、压电陶瓷，转子组件包括转子圆盘、摩擦材料，弹性体的齿与摩擦材料接触；

首先完成网格剖分，对定子组件、转子组件用许多个离散的小单元及其结点来等效；

设置弹性体、压电陶瓷、摩擦材料的材料参数，包括密度、弹性模量、泊松比；设置压电陶瓷的材料参数，包括弹性常数、压电常数、相对介电常数、密度；