[發明專利]基于堵轉力矩仿真的超聲電機貯存壽命預測方法

在審

• 申請號: 202210620628.6
• 申請日: 2022-06-02
• 公開（公告）號: CN114970275A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 黃首清;胡芳;蘇新明;楊曉寧;郭悅;秦泰春;楊勇;姚澤民;周原;李丹丹
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/04;G06F119/14
• 代理公司: 北京志霖恒遠知識產權代理事務所(普通合伙) 11435
• 代理人: 郭棟梁

本發明公開了基于堵轉力矩仿真的超聲電機貯存壽命預測方法，包括7個步驟，即步驟1，建立超聲電機堵轉力矩仿真模型；步驟2，根據實測結果修正堵轉力矩仿真模型；步驟3，監測貯存中超聲電機定子組件壓電常數、整機阻抗諧振頻率的變化數據；步驟4，基于諧振頻率變化測試數據，通過模態分析反推預緊力變化；步驟5，根據壓電常數、預緊力的變化，計算堵轉力矩的變化；步驟6，堵轉力矩退化建模；步驟7，結合失效判據給出貯存壽命預測結果。本發明采用無損測試手段結合仿真模型實現堵轉力矩變化和貯存壽命的預測，避免對定子組件和轉子組件之間摩擦副的磨損和對電機貯存壽命的損傷，且多次修正仿真模型，確保預測電機貯存壽命的準確性。

技術領域

本發明涉及航天與超聲電機技術領域，尤其涉及基于堵轉力矩仿真的超聲電機貯存壽命預測方法。

背景技術

超聲電機是一種新型電機，具有體積小、重量輕，轉矩/重量比大、斷電自鎖、無電磁干擾等優點。超聲電機的核心元件是壓電陶瓷，壓電陶瓷粘貼在定子彈性體上，在超聲頻段(大于20kHz)交變電壓驅動下，通過逆壓電效應在定子齒面產生特殊的振動，進而在摩擦力作用下驅動轉子轉動。超聲電機不需要線圈、磁鐵、減速器，與傳統的電磁電機有本質的區別，這是超聲電機諸多優點的根本原因，并決定超聲電機在航空航天、精密儀器儀表、智能機器人等軍民領域有著重要應用。美國“機遇號”和“好奇號”火星車，我國嫦娥五號、張衡一號探測器均應用了超聲電機。

隨著各類軍民產品壽命和可靠性要求不斷提高，超聲電機長時間貯存的場景越來越多，例如某導彈用超聲電機要求貯存壽命18年，而應用超聲電機的嫦娥五號發射前在地面貯存3年。超聲電機在長時間貯存過程中容易發生性能漂移、蠕變，例如壓電陶瓷壓電常數下降、預緊力下降等，直接影響貯存后的工作性能。因此，在貯存過程中預估超聲電機性能退化以及貯存壽命，對貯存期滿后能否成功完成任務非常重要。

當前評價超聲電機的貯存壽命主要采用邊貯存、邊測試、邊評估的方法，即貯存過程中間歇性的測試超聲電機的諧振頻率、堵轉力矩等性能參數。其中堵轉力矩是直接反映超聲電機驅動能力的性能，也是決定貯存壽命的主要參數。獲得這些參數的變化規律，就有可能預測超聲電機的貯存壽命。但這種方法一個重大不足是：電機堵轉時，定子組件和轉子組件之間處于劇烈摩擦的狀態，對超聲電機壽命是有較明顯損傷的，貯存過程中多次測試堵轉力矩會導致貯存壽命預測結果失真。試想，如果可以通過阻抗頻響測試、壓電常數測試等對超聲電機無損傷的測試手段即可準確得到堵轉力矩的變化，進而預測貯存壽命，將是一個有前景的技術解決途徑。

發明內容

本發明的目的在于：為了解決上述問題，而提出的基于堵轉力矩仿真的超聲電機貯存壽命預測方法。本發明的核心在于如何基于堵轉力矩仿真，并融合阻抗頻響測試、壓電常數測試等對超聲電機無損傷測試手段獲得的數據獲得堵轉力矩變化數據，進而通過堵轉力矩退化建模獲得貯存壽命。

本發明采用了如下的技術方案，其中仿真分析均基于ANSYS-Workbench商用有限元軟件：

參考圖1，基于堵轉力矩仿真的超聲電機貯存壽命預測方法的步驟依次如下：

步驟1，建立超聲電機堵轉力矩仿真模型；

本步驟的具體子步驟見圖2；

子步驟1A：建立超聲電機定子組件和轉子組件的有限元模型，完成網格剖分，設置材料參數、壓電陶瓷分區、接觸對、約束邊界；

具體的，參考圖3和圖4，定子組件包括彈性體、壓電陶瓷，轉子組件包括轉子圓盤、摩擦材料，彈性體的齒與摩擦材料接觸；

首先完成網格剖分，對定子組件、轉子組件用許多個離散的小單元及其結點來等效；

設置彈性體、壓電陶瓷、摩擦材料的材料參數，包括密度、彈性模量、泊松比；設置壓電陶瓷的材料參數，包括彈性常數、壓電常數、相對介電常數、密度；