基于超声悬浮轴承的微扭矩测量系统

　　0 引 言

　　微电机在微机械、微机构中应用广泛，其输出特性——输出扭矩同转速的关系是重要的机电参数之一。由于结构尺寸( 一般输出轴直径小于 1 mm) 等原因，大多数微电机的扭矩是通过设计计算得到的，但实际值与设计差别较大。本研究所研制的一系列微小超声电机输出力矩小，测试困难，摩擦损失功率对输出测试结果影响比较大，为此，本文提出了基于超声悬浮轴承的微扭矩测量系统。

　　超声轴承是将超声振动用于轴颈的悬浮支承与动态润滑而构造的滑动轴承[1]，是超声技术在机械领域的一项较新的应用。超声轴承具有减摩性能好、旋转精度高、润滑简单、能保持良好的对中性等优点，与其他种类轴承相比具有独特的优势[2]。

　　本文根据超声减摩[3～5]的原理，提出了一种新型的超声悬浮轴承，它能够将电机输出的小扭矩有效地传递到负载，减少摩擦和机械摩擦损耗，基于该轴承设计微扭矩测试系统，验证本文所提出的超声轴承的减摩效果。

　　1 微扭矩测试系统的结构和工作原理

　　本文提出的基于超声悬浮轴承的微扭矩测量系统结构如图 1 所示，它由安装在微电机输出轴上的薄铝盘、超声悬浮轴承、非接触制动组件( 包括制动磁极和绕于其上的励磁线圈) 、微力天平、砝码、用于控制天平平衡的配重、支架、基座和杠杆组成。通过光电测速传感器测量铝盘的转速，并把它送入计算机采集系统。

　　当电流流过励磁线圈时，两制动磁极缝隙中产生一定强度的磁场。铝盘在被测微电机的带动下旋转，在磁场中切割磁力线，其内部产生电涡流，电涡流在磁场的作用下使铝盘受到一个与运动方向相反的力。同时，制动磁极将受到一个大小相等、方向相反的反作用力。该力通过放大杠杆改变加在天平上的重力，通过微力天平的示数可精确测出该力的大小。此力与制动磁极到微电机轴心的距离的乘积即为微电机的此转速下的输出扭矩。改变励磁线圈中电流的大小，电机的输出扭矩与转速随之改变，就得到微电机输出扭矩随转速变化的关系。

　　2 超声悬浮轴承的结构与减磨原理

　　超声悬浮轴承的工作原理如图 2 所示，2 个兰杰文振子之间的轴系通过一根细长轴和外面的电机相连，轴系两侧锥形凹槽和 2 个兰杰文振子锥形头部相配合。轴系上装有铝盘，由电机带动轴系和铝盘旋转。在 2 个振子的电极片上施加超声频率的交流激励电压，使振子产生一阶纵振，超声振动造成了振子头部与轴系凹槽表面的间断接触，在接触表面形成接触、悬浮的周期过程，从而把轴系和铝盘悬浮起来。在振子和轴系脱离时刻，超声振动造成空气挤压产生挤压膜润滑，由于空气具有粘性作用，轴系的旋转将空气压入楔形间隙产生动态润滑。2 种润滑共同作用使超声轴承获得了较大承载能力和较小的摩擦系数[2]。