超声电机及其摩擦材料电气绝缘特性分析与控制策略.pdf

第 卷 年第 期 月.超声电机及其摩擦材料电气绝缘特性分析与控制策略张 武 张秀莉 史玉娣 陈平易 李 璐 曲建俊 申 田(.西安创联超声技术有限责任公司 西安 .哈尔滨工业大学 哈尔滨)摘 要:基于超声电机电气绝缘特性设计 识别出影响电机绝缘特性的主要因素为摩擦材料 分析摩擦材料的导电机理 在此基础上提出控制策略 并制备摩擦材料 装配电机验证了控制策略的有效性 为工程应用提供借鉴关键词:超声电机 摩擦材料 绝缘特性 控制策略中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:收稿日期:作者简介:张 武()女 高级工程师 研究方向为超声电机结构与工艺 引 言超声电机为有源机电器件 其电气绝缘特性表现为电机各接点 尤其是高电压接点对壳体的绝缘电阻不低于配套系统分配的阻值 一般为/或者 /超声电机通过输出轴、壳体以及驱动控制电路与系统互联 电机本体绝缘电阻对控制电路起到了隔离和保护作用 避免电流泄露对其它电路造成干扰 甚至影响系统正常工作 是工程应用中必须考虑的系统安全性问题同时 在超声电机工程化生产过程中 绝缘电阻也是一项重要的考核指标 使用绝缘电阻测试仪施加 或者 电压 保持电压时间分钟 测试绝缘电阻值 实际工作中 通常出现电机装配完成 机械性能测试合格 测试绝缘电阻不合格 某些电机在通过温度应力试验后 绝缘电阻下降到 以下 甚至加电压直接导通 这对产品质量、生产周期和成本造成了极大的不利影响亟需从根本上解决超声电机的电气绝缘问题 超声电机电气绝缘特性设计对于金属壳体封装型超声电机 主要由定子、转子、预压力施加和传动机构组成 如图 所示定子是由压电陶瓷换能片、弹性体、电机/端柔性线路粘接而成 转子由转子圆盘和摩擦材料粘接而成 转子与输出轴通过键或者螺钉联接 定转子之间的预压力通过定子底座与机壳的螺纹紧固 由机壳上的轴承传递 定子为电气部件 至少有三路接点 两路驱动高压 相、相接点 一路回线 接点 因此 电机各接点对电机壳体的绝缘特性 实际取决于定子中弹性体和定子紧固螺钉与电机底座的隔离 以及转子中摩擦材料与定子的隔离超声电机定子弹性体作为电机回路是设计中无法规避的 采取体积电阻率高的绝缘材料来隔离定子 其实电机中除定子外 其它结构一般为导通因此从电机结构和材料绝缘特性两个方面进行电机绝缘特性设计:卷图 超声电机结构图()定子与底座之间通过在柔性印刷线路板上设计聚酰亚胺膜片进行隔离绝缘 聚酰亚胺膜绝缘耐压为 /体积电阻系数为 产品中设计厚度为 理论耐压为 绝缘电阻为 量级()定子与底座的紧固螺钉设计聚酰亚胺绝缘护套()电机引出端焊点使用 脱醇型单组份室温硫化硅橡胶进行绝缘封装 同时为确保绝缘的有效性 在底座焊点位置粘贴 胶带进行二次绝缘()电机转子与定子弹性体通过摩擦材料绝缘目前 从超声电机实际工程应用情况充分验证了()()的可行性 摩擦材料绝缘成为了影响电机电气绝缘特性的主要因素 因此 本文重点从摩擦材料电气绝缘特性分析 提出控制策略 摩擦材料电气绝缘特性分析 摩擦材料现状超声电机均通过定、转子摩擦界面实现能量和运动的传递 摩擦材料对电机性能影响至关重要摩擦材料要求具有以下特性:适合的摩擦系数()良好的耐磨特性 摩擦副表面的磨损要尽可能小 适当的硬度(邵 )和摩擦副表面硬度的良好匹配 良好的导热性、耐振动和耐温度冲击特性 稳定的物理和化学特性 和摩擦副之间较低的粘附力 同时具有良好的机械加工性能目前超声电机最佳摩擦材料聚合物树脂为聚四氟乙烯(以下简称)聚四氟乙烯是一种白色、无味、无毒的热塑性材料 动静摩擦系数差异小物理稳定性与化学稳定性好 使用温度范围宽 但其耐磨性差、宜蠕变、硬度与弹性模量偏低 且表面活性低 与金属的粘结性较差 所以一般用共混改性或填充改性的方法来增强聚四氟乙烯的机械强度与耐磨性 在旋转型超声电机上使用时 以聚四氟乙烯为基体的摩擦材料应用较成熟 电机堵转力矩较大 无噪音、运行稳定 聚四氟乙烯基体摩擦材料主要构成为:聚四氟乙烯 增强改性剂 增强改性剂常用的聚苯酯、石墨烯纤维、纳米金刚石、纳米二氧化硅、微米铜粉、石墨、二硫化钼等 摩擦材料组成如图 所示图 摩擦材料组成图示日本学者 等也以 为基体 碳纤维粉为增强填料进行了研究 该研究大幅提高了摩擦材料的使用寿命 并提高了超声电机的性能将该摩擦材料应用于复印机中 提升了整体性能 德国学者 和 研究、及其复合材料摩擦磨损性能 结果表明:、这两种摩擦材料与高碳钢对磨时耐磨性较好国内自 年前后 以哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、中科院兰州化学物理研究所为代表一直在开展 为基体的摩擦材料研究 使超声电机在输出力矩、转速、转化效率以及运行噪声等方面取得了较好的研究成果 在航天、航空、工业装备、医疗设备等转台驱动中获得应用南航大赵淳生院士团队摩擦材料是在 中添加碳纤维、石墨烯纤维等 对绝缘特性未见报告哈工大曲建俊教授团队摩擦材料基体为聚四氟乙烯和聚苯酯 填添加稀土类氧化物增摩 摩擦调节剂为铜粉、纳米金刚石兰化所王廷梅研究员团队摩擦材料基体为聚四氟乙烯 添加芳纶纤维、云母、钛酸钡晶须等增摩材料 摩擦系数调节剂为铜粉、纳米二氧化硅 功能调节剂石墨、二硫化钼等 铜粉导电机理分析分析目前应用较多的哈工大和兰化所摩擦材料材料中均添加了导电相铜粉或石墨 在铜粉或石墨颗粒可控、分布均匀的情况下 绝缘特性测试不低于 /满足使用要求 期张 武等:超声电机及其摩擦材料电气绝缘特性分析与控制策略摩擦材料填料中选用市售微米铜粉 粒度为目 生产单位为石家庄京元粉末材料有限责任公司材料成分及粒度见表 表 铜粉成分规格化学成分粒度松装密度 (目)(/)其余 铜粉显微分析采用金相显微镜测量铜粉的平均粒径 如图 所示图 铜微粒金相显微图由图 可见 铜粉的平均粒径约为 最大粒径 微米铜粉原材料设计粒度为 目(理论粒径为 )经进一步对铜粉进行 目过筛试验 实际约有 重量比的铜粉粒径已大于 目 与显微分析结果基本一致 随着摩擦材料厚度减小 特别是在一定预压力下 铜粉可能出现堆积连排现象 如图 所示 当摩擦材料厚度为 大约 个铜粉颗粒连排时 厚度便可达到摩擦材料厚度 导致材料导通 绝缘性能下降图 摩擦材料内部铜颗粒分布示意图 摩擦材料表面和轴向截面形貌采用 目金相砂纸进行摩擦材料的抛光 表面形貌如图 所示图 摩擦材料中的团聚粒度由图 可见 摩擦材料中存在超过 的团聚尺寸 团聚尺寸占比约为 以上的铜微粒直接贯穿摩擦片的厚度 的铜微粒 可能被外电场击穿聚四氟乙烯包裹层后错层贯穿 形成导通图 为摩擦材料轴向(厚度方向)截面铜粉分布显微图像 铜粉分布与表面差异不大 也反映出材料混合均质性良好图 摩擦材料轴向截面铜粉分布综上分析 摩擦材料中铜粉的存在 必然存在绝缘特性降低的风险 对后续电机工艺提出了严格的控制要求 控制策略 减小铜粉粒径原材料铜粉的平均粒径为 摩擦材料厚度为 大约 个铜微粒连排时 便可达到摩擦材料厚度 导致材料导通 减小铜粉粒径若选择平均粒径为 的铜粉 则需约 个以上铜微粒 同时 材料制备时经过高速搅拌处理 混合均匀 达到聚四氟已烯包裹铜粉的效果 不易出现铜微粒连排的现象 从而提高了摩擦材料的绝缘性 如图 所示选择小粒径铜粉可以改善复合材料的结构强度对摩擦学性能也是有益的 只是成本有所增加图 优化粒径后摩擦材料中铜颗粒分布示意图 适当增加粘接层厚度通常摩擦材料与转子粘接层厚度为 将胶层厚度提高到为 若选择铜粒径 胶层厚度 即铜粒径 即使铜颗粒渗入胶层 也可保证铜颗粒不与转子接触 即通过胶层绝缘 选用平均粒径 的铜粉 其分散效果模拟图如图 所示 卷图 铜颗粒渗入胶层示意图 降低摩擦材料表面粗糙度为增加粘接强度 通常对转子圆盘使用 砂纸进行拉毛处理 其表面粗糙度 为 见图 对摩擦材料同样使用 砂纸进行拉毛 其表面粗糙度 为 见图 转子与摩擦材料粘接时形成了如图 的啮合结构 表面粗糙高 摩擦材料与转子毛刺接触增多 绝缘特性下降图 使用 目砂纸拉毛的转子圆盘表面粗糙度图 使用 目砂纸拉毛的摩擦材料表面粗糙度图 转子与摩擦材料接触示意图摩擦材料和转子的粘接面的粗糙度 均小于 胶层厚度在 可以保证摩擦材料与转子的凸峰不接触 摩擦材料与转子都直接与胶层接触 提高摩擦材料粘结胶层的绝缘性降低摩擦材料表面粗糙度后 可以考虑对摩擦材料表面进行萘钠处理 提高材料的表面活性 增强粘接力 无铜化处理去掉铜粉填料 采用其他填料来替代 从根本上解决绝缘特性问题 成为摩擦材料发展的方向 转子绝缘设计采取类似定子绝缘隔离的方法 将转子与输出轴使用绝缘材料隔离 同样可从根本上解决电机电气绝缘的问题 但基于转子与输出轴接口多样 结构设计比较复杂 目前应用很少 优化后制备摩擦材料验证情况通过控制铜粉粒径、增加粘接胶层厚度、减小摩擦片表面粗糙度 使用萘钠溶液处理摩擦材料表面 按照正常工艺装配 型超声电机 电机编号、为原摩擦材料装配的电机 电机编号、为优化后摩擦材料装配的电机 绝缘特性评估电机静摩擦力矩 测试电机 端对壳体绝缘电阻 即包括定、转子绝缘电阻的总电阻 因定子齿槽的存在 测试时需转动转子 共计测量 次 测试数据见表 表 摩擦材料优化工艺前后装配电机绝缘特性测试情况电机编号转子转动不同位置电机 端对转轴绝缘电阻(/)()静摩擦力矩/从表 得出 优化后的摩擦材料绝缘特性大幅提升 由原来的 级提升到 级 电机性能评估分别使用优化前后的摩擦材料按照正常工艺装配电机 对电机转速 转矩、效率 转矩特性进行测试 其测试情况如图 和图 所示 期张 武等:超声电机及其摩擦材料电气绝缘特性分析与控制策略图 电机转速 转矩曲线图 电机效率 转矩曲线从图 和图 可以得出 优化前后摩擦材料装配的电机转速、转矩基本无变化 效率有所下降降幅为 是因为铜粉粒径减小后 摩擦材料弹性模量增加 工作电流增大引起的 结 论()影响电机绝缘特性的主要因素是摩擦材料 通过改善摩擦材料的绝缘特性可以提升电机的绝缘能力 ()减小摩擦材料中铜粉的粒径到 微米以下适当增加胶层厚度 可有效提升摩擦材料的绝缘特性()铜粉作为摩擦材料中增摩材料 颗粒的变小 对电机接触界面的稳定性有益 但导致电机输出效率降低 需要进一步寻找平衡点()采用萘钠处理方法 减小摩擦材料的粗糙度 可提升摩擦材料的绝缘强度 同时提升摩擦材料的粘接力参考文献赵淳生.超声电机技术与应用.北京:科学出版社:.李将.纤维粉填充聚合物超声电机摩擦材料的研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学:.曲建俊 闫瑾 宋宝玉.玻璃纤维粉对聚合物基超声电机摩擦材料性能的影响.润滑与密封 ():.:.指田年生.振动片型和表面波型超声波电机(译).压电与声光 ():.奥村一郎.超音波實用化.日本音響學會志.():./.:.(上接第 页)化率不同 故障温度范围区间不同 故障时间长度也不同 随着环境温度升高 电机内部温度与环境温度达到平衡后 电机表面化霜 电枢电阻恢复正常 电机可以正常工作运行因此 军用武器装备系统中选用有刷直流力矩电动机 可在方案初期研制阶段考虑系统预热温度补偿策略 使系统寿命全周期在 以上 不存在低温阶段 进而保证系统运行的可靠性参考文献 唐任远.现代永磁电机理论与设计.北京:机械工业出版社.张文海 梁功勋.微特电机实用技术问答.北京:电子工业出版社.王亮.激光通信平台用永磁力矩电机轻型化的关键技术研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.张文海 徐丽.永磁直流力矩电动机起动电压研究.第十二届中国小电机技术研讨会论文集:.王静爽 曹尔晔.温度变化对电机危害分析及解决途径.电机与控制应用():.吴彦灵 祝耀昌.军用装备实验室环境试验方法第 部分:高温试验.中国人民解放军总装备部.吴彦灵 祝耀昌.军用装备实验室环境试验方法第 部分:低温试验.中国人民解放军总装备部.:.:.():.陈世坤.电机设计.北京:机械工业出版社.