軍民兩用高性能超聲電機的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化

南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 楊 淋 趙淳生

作動器是高端裝備和智能裝備的重要基礎部件，廣泛應用于航空航天、武器裝備及機器人等領域，作為現(xiàn)代裝備向高精度、高效率、高可靠性、智能化和輕量化方向發(fā)展的核心部件之一，其水平對提升國家科技影響力和國防威懾力具有重要作用。

一、研究背景

作動器性能包括精度、效率、可靠性、穩(wěn)定性、功率密度、響應速度、電磁兼容性、環(huán)境適應性等。以電磁電機-減速傳動機構為代表的傳統(tǒng)作動機構，受傳動鏈中間隙、彈性變形等因素的限制，其重量不易減輕，精度難以提高。同時，由于作動器在抗電磁干擾、改善高/低溫和真空環(huán)境適應能力等方面都較差，需增配保障裝置，從而導致系統(tǒng)的重量和復雜性增加、可靠性降低。20世紀 80 年代以來，在振動和波動學、摩擦學、機械設計、電力電子、材料及控制科學等多學科發(fā)展和交叉融合的基礎上，新型作動器超聲電機（USM）實現(xiàn)了從原理到實際運行的突破，已逐步成為發(fā)達國家提升航空航天器、武器系統(tǒng)等高端裝備和智能裝備運動與定位精度的關鍵部件之一。

超聲電機及其結構分解圖如圖 1 所示。超聲電壓施加在壓電陶瓷片上，使定子產(chǎn)生微幅波動，在定子和轉子（動子）間界面的摩擦作用下，定子的微幅波動轉換為轉子（動子）的宏觀轉動（直線運動）。超聲電機具有與電磁機不同的一些特點：（1）扭矩與重量比大（為電磁電機的 3～10 倍）；（2）無需減速齒輪箱，就能實現(xiàn)低速大扭矩等；（3）響應快（毫秒級）；（4）分辨率高，控制性好。此外，還具有斷電自鎖、電磁兼容性好、噪聲小、可在真空和高/低溫環(huán)境下工作、形狀多樣化、效率不隨尺寸減小而下降等特點，這些正是航空航天器、武器系統(tǒng)等高端裝備和智能裝備特別需要的。

自20世紀 80 年代開始，超聲電機技術在日本得到了長足的發(fā)展，在90 年代末達到商業(yè)化水平。90年代，日本 Canon 公司花費 10 億日元建立了一條超聲電機生產(chǎn)線，年產(chǎn) 20萬～40 萬臺超聲電機，并成功應用在照相機自動聚焦系統(tǒng)、手表、汽車、機器人、核磁共振儀、電動窗簾以及卡片傳輸機等產(chǎn)品上。豐田公司成立了專門生產(chǎn)超聲電機的子公司，將超聲電機應用在汽車工業(yè)。此外，日本 Shinsei 公司、Technohands 公司、Fukoku 公司、Seiko 公司也都在銷售超聲電機。圖2為超聲電機在高端裝備和智能裝備上的應用。此后，其他發(fā)達國家如美國、德國、法國、以色列、韓國等，也掀起了研究和應用超聲電機的熱潮，他們投入了大量人力、物力開發(fā)超聲電機，努力追趕日本。目前，美國 DTI 公司、Micromechatronics公司、Piezo Systems 公司、New Scale Technologies 公司，韓國Piezo Electric Technology 公司，德國 PI 公司和Ellipt 公司，以色列 Nanomotion公司，英國 Morgan、Flexmotor 公司，瑞典 Piezomotor 公司等都在研究或生產(chǎn)超聲電機。特別值得注意的是，美國正在不斷把超聲電機應用在航空航天器和武器系統(tǒng)上。

早在1997 年，美國國家航空航天局（NASA）與麻省理工學院（MIT）合作，首次將超聲電機應用于火星探測器：MicroArmⅠ使用了1臺力矩為 0.05 N·m的超聲電機；MarsArm Ⅱ使用3臺力矩為 0.68 N·m 和1臺力矩為0.11 N·m 的超聲電機，它們比具有同等功能的直流電機輕 40%。隨后，美國又在核彈頭解密鎖和導彈制導中應用了超聲電機。據(jù)美國國防部導彈防御組織（BMDO）報道，AERC 公司正在按照合同為BMDO 研發(fā)超聲電機，并使之應用于導彈子系統(tǒng)的安全引信裝置中。為了研發(fā) BMDO 要求的原型超聲電機，AERC 公司和美國聯(lián)合信息公司（美國國防部八大軍火供應商之一）簽訂了合同。AERC 公司是美國制造超聲電機最好的工廠之一，且得到美國能源部的支持。在國防和國家安全領域，受到一些關鍵性能的限制，傳統(tǒng)伺服電機和步進電機不再適用，而早在2008 年美國 DTI 公司就曾報道過，該公司研制的新型超聲電機系統(tǒng)可應用于這些領域。最近幾年，美國一直致力于將超聲電機推廣應用于智能飛機上，NASA正在研制隱形智能機翼。他們分別對電磁電機、形狀記憶合金、電活性聚合物、壓電/液壓泵以及超聲電機進行了試驗，結果表明應用超聲電機的方案效果最好，可實現(xiàn)無鉸鏈的變形翼展、高效和快速驅動，達到 80°/s偏轉速率，能有效抑制飛機顫振。

二、超聲電機技術的發(fā)展

在20 多年時間里，南京航空航天大學趙淳生院士研究團隊開展的超聲電機研究工作取得顯著成果，研發(fā)了3個系列（板式、桿式和空心式）， 60多種樣機；發(fā)表論文700多篇，出版中、英文專著《超聲電機技術與應用》各一部；申請了300多項國家發(fā)明專利，其中已授權170多項；趙淳生院士獲得“江蘇省十大杰出專利發(fā)明人”榮譽稱號；“超聲電機的研究”項目獲國防科學技術進步獎一等獎，“新型超聲電機技術”獲國家技術發(fā)明獎二等獎；“大行程、高精度、快響應直線壓電電機”獲教育部技術發(fā)明獎一等獎和國家技術發(fā)明獎二等獎；2014年趙淳生院士先后獲得何梁何利基金科學與技術進步獎，IWPMA（Interational Workshop on Piezoelectirc Materials and Applications in Actuators）組委會頒發(fā)的“壓電超聲領域終生成就獎”及美國Virginia Tech的能量收集材料和系統(tǒng)中心（CEHMS）頒發(fā)的“超聲電機技術突出貢獻獎”；作為起草單位制定了軍用超聲電機技術標準；主導制定的超聲電機技術國家標準已完成初稿；目前已著手起草國際超聲電機技術標準。

為了響應國家軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略的號召，依托南京航空航天大學并以趙淳生院士團隊為核心，成立了南京航大超控科技有限公司，將不斷推動超聲電機走向產(chǎn)業(yè)化。其中小批量生產(chǎn)的超聲電機產(chǎn)品已用于嫦娥3以及其他衛(wèi)星上，效果顯著，如圖3所示。民用方面，超聲電機已應用于核磁共振注射器、細胞穿刺裝置及多種光學儀器上。表1為南京航大超控科技有限公司生產(chǎn)的超聲電機產(chǎn)品的性能指標。

三、加速發(fā)展高性能的超聲電機系統(tǒng)

表1 超聲電機產(chǎn)品的性能指標

現(xiàn)階段我國生產(chǎn)的超聲電機的性能還不能完全滿足航空航天器、武器系統(tǒng)等高端裝備和智能裝備的要求。雖然國外生產(chǎn)的超聲電機性能不斷提高，在航空航天器、武器系統(tǒng)等高端裝備和智能裝備中已經(jīng)廣泛應用，但由于涉及航空航天、武器裝備等領域，超聲電機核心技術資料均處于保密狀態(tài)，鮮有文章發(fā)表，其產(chǎn)品也禁止對我國出售。因此，我們只能依靠自己的力量，對超聲電機技術進行更深入、更系統(tǒng)的研究，從提高超聲電機的精度、穩(wěn)定度、耐沖擊強度和降低轉速極限等方面入手，研制出能滿足高端裝備和智能裝備要求的超聲電機，以打破其他國家在高性能超聲電機產(chǎn)品上對我國的封鎖。為此，針對航空航天、武器裝備和醫(yī)療器械等領域對超聲電機的要求與應用現(xiàn)狀，以趙淳生院士團隊現(xiàn)有的超聲電機技術為基礎，對超聲電機定子和轉子系統(tǒng)的結構與材料進行優(yōu)化設計，深入而系統(tǒng)地研究超聲電機，揭示其系統(tǒng)的時變非線性規(guī)律， 提出實現(xiàn)超聲電機系統(tǒng)高精度、高穩(wěn)定度和極慢轉速輸出的驅動與控制理論和方法，研制出一種精度、穩(wěn)定度、強度和轉速梯度都較高的超聲電機，其結構簡單、緊湊、制造方便， 可實現(xiàn)以下性能指標：（1）位置精度高于1"；（2）位置分辨率優(yōu)于0.1"；（3）轉速穩(wěn)定度接近編碼器極限精度；（4）極低轉速，可達到0.5"/s（1r/月）；（5）耐沖擊加速度（峰值）不小于20000g（g為重力加速度）。

為了實現(xiàn)上述性能指標，必須研究和解決以下關鍵技術：（1）超聲電機定、轉子進一步優(yōu)化設計理論及方法，如建立響應面模型，最后通過相應算法獲取定、轉子尺寸的目標最優(yōu)解；（2）研制碟形彈簧，保證超聲電機在零剛度區(qū)域內(nèi)工作，實現(xiàn)超聲電機預壓力的恒定，從而提升超聲電機的精度、穩(wěn)定度；（3）研究超聲電機非線性現(xiàn)象及其控制規(guī)律，增加超聲電機運行的穩(wěn)定性；（4）實現(xiàn)超聲電機高精度、高穩(wěn)定度的驅動與控制，設計出雙PWM 拓撲結構超聲電機驅動控制器，實現(xiàn)驅動信號的精確控制；（5）優(yōu)化超聲電機的結構和材料設計，研制出能耐20000g沖擊加速度（g為重力加速度）的超聲電機。

本文得到國家自然科學基金面上項目（項目號：51575265）、江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助。