(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210620628.6 (22)申请日 2022.06.02 (71)申请人 北京卫星环境工程研究所 地址 100094 北京市海淀区友谊路104 号 (72)发明人 黄首清　胡芳　苏新明　杨晓宁　 郭悦　秦泰春　杨勇　姚泽民　 周原　李丹丹　 (74)专利代理 机构 北京志霖恒远知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11435 专利代理师 郭栋梁 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于堵转力矩仿真的超声电机贮存寿命预 测方法 (57)摘要 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。 权利要求书1页 说明书7页 附图4页 CN 114970275 A 2022.08.30 CN 114970275 A 1.基于堵转力矩仿真的超声电机贮存寿命预测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 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。 2.根据权利要求1所述的基于堵转力矩仿真的超声电机贮存寿命预测方法， 其特征在 于， 所述步骤1中建立超声电机堵转力矩仿真模型 具体包括以下步骤： 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； 子步骤1B： 施加预紧力， 完成静力学分析， 获得非工作状态下超声电机的预应力场； 子步骤1C： 在预应力场基础上完成模态分析， 获得工作波数获得工作波数对应的振型 和谐振频率； 子步骤1D： 基于模态分析结果， 施加电压载荷， 完成谐响应分析， 获得谐振频率处的动 力学响应； 子步骤1E： 提取谐振频率下， 任一齿运动到定子行波波峰时与转子组件之间的法向接 触力； 子步骤1F： 计算定 子组件和转子组件之间的总法向接触力和堵转力矩。 3.根据权利要求2所述的基于堵转力矩仿真的超声电机贮存寿命预测方法， 其特征在 于， 步骤1C中所述的波数为 不小于15的奇数。 4.根据权利要求2所述的基于堵转力矩仿真的超声电机贮存寿命预测方法， 其特征在 于， 步骤1D中所述的频率 求解间隔为线性间隔或对数间隔。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114970275 A 2基于堵转力矩仿真的超声电机贮存寿命 预测方法 技术领域 [0001]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 [0002]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 。 [0003]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。 [0004]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 [0005]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。 [0006]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： [0007]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： [0008]步骤1， 建立超声电机堵转力矩仿真模型； [0009]本步骤的具体子步骤见图2；说　明　书 1/7 页 3 CN 114970275 A 3