超声电机
超声波电动机
微特电机课程论文超声波电动机学院:专业班级：学号：姓名：指导教师：日期：摘要超声波电机是一个机电耦合系统，涉及到振动学、摩擦学、材料学、电力电子技术、自动控制技术和实验技术等。
超声波电动机利用压电材料的逆压电特性，激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动。
与传统电机相比，它具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，是一项跨学科的高新技术。
近几年来超声波电动机已成为国内外在微型电机方面的研究热点。
关键字：超声波电机、逆压电效应、机械振动、高新技术。
一、超声波电动机简介超声波电动机(Ultrasonic Motor缩写USM)是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器。
由于激振元件为压电陶瓷，所以也称为压电马达。
80年代中期发展起来的超声波电机(Ultrasonic motor，USM)是基于功能陶瓷的超声波频率的振动实现驱动的新型驱动器。
超声电机是一个典型的机电一体化产品，由电机本体和控制驱动电路两部分组成。
产品涉及到振动学、波动学、材料学、摩擦学、电子科学、计算技术和实验技术等多个领域。
超声波电动机打破了由电磁效应获得转速和转矩的传统电机的概念，它利用压电材料的逆压电效应，使振动体在超声频段内产生振动，通过定子与动子间的摩擦输出能量。
二、超声波电动机的分类1. 环状或盘式行波型超声波电动机由底部粘接着压电陶瓷元件的环状定子和环状转子构成。
对极化后的压电陶瓷元件施加—定的高频交变电压，在定子弹性体中形成沿圆周方向的弯曲行波。
对定、转子施加一定的预压力，转子受到与行波传播方向相反的摩擦力作用而连续转动，定子上的齿槽用于改善电机的工作性能。
2. 直线式行波型超声波电动机（1）双Langevin振子型：利用两个Langevin压电换能器，分别作为激振器和吸振器，当吸振器能很好地吸收激振器端传来的振动波时，有限长直梁似乎变成了—根半无限长梁，这时，在直梁中形成单向行波，驱动滑块作直线运动。
超声波电机
运行效率较低: 由于超声波电机的理论和计算方法及其 结构设计方法还不成熟，电机运行效 率较低，只有 10%~40%，而传统的电磁电机可达80% 以上。
超声波电动机的简介
第一，新型摩擦材料和压电材料的研制，以提高超声 波电机对环境的适应性。由于超声波电机是依靠摩擦 耦合来输出能量，接触面的磨损和疲劳是不可避免的， 这极大的制约了超声波电机的推广应用。
超声波电动机简介
4. 超声波电机依靠定子的超声振动来驱 动转子运动，超声振动的振幅一般在微米数量 级，在直接反馈系统中，位置分辨率高，容易 实现较高的定位控制精度。
超声波电动机简介
5. 超声波电机的振动体的机械振动 是人耳听不到的超声振动，而且它不需 要减速机构，因此也不存在减速机构的 噪声，运行非常安静。
超声波电动机的简介
日本精工公司每年生 产二十万台用于手表 振动报时的超声波电 机，如图所示。
超声波电动机的简介
由于超声波电机可以 做得很薄而且转矩很 大，所以很适合用在 汽车专用电器中，如 可用在汽车车窗的驱 动装置中，用在雨刮 器、车灯转向和汽车 座椅调整等的驱动装 置中。右图所示为丰 田公司应用于轿车方 向盘操纵系统的超声 波电机。
超声波电动机简介
6. 超声波电机独特的驱动机理适应 了多种多样结构形式设计的需要，比如 同一种驱动原理的超声波电机，为了应 用于不同的安装环境，其外形可以根据 需要改变。
超声波电动机简介
超声波电动机的应用
超声波电动机的简介
超声波电机具有很多独特的优点，如结构简单、体积 小、响应速度快、低速大转矩、定位精度高、无电磁 干扰等，因而它的应用范围很广，下面主要介绍了超 声波电机在实际生活中的一些应用。
超声电机的驱动系统
三 超声电机的驱动电路
如图3，电路 主要包含四部分 模块: 1，信号的产生 2，信号的放大
3，功率的移相
4，信号的输出
1，信号的产生
是由L1,L2和C5组成的振荡回路产生。
2，信号的放大
是由一个反馈从放大器 的集电极通过一个电容 C2接回LC振荡回路实现 的，经过放大后输出单 相电路，如图4所示。
超声电机是利用逆压电效应,逆压电效 应是在压电材料的相应部位间加上电压,产 生一定的电荷分布,材料会发生相应的形变, 在此种压电材料上加上某种特定频率的交 变正弦信号,材料就会产生随所加电压的变 化规律而变化的机械形变,这种机械形变推 动周围介质振动,产生疏密相间的机械波. 如果其振动频率在超声范围,这种机械波就 叫超声波。
3，信号的移相
将振,对输入信号产生了 180度的移相,从而我们得到了两 路电压峰峰值相等,相位相差的信 号,如图5. NPN共射晶体管Q6和其 他相关元件实现。
4，信号的输出
振荡电路信号正振荡电路产生的初始 信号为了得到电压峰峰值比较高的超 声信号,需要使用了所谓推挽式的逆变 电路,即图3中由4对大功率的达林顿管 Q2、Q3、Q4、Q5组成2组信放大电路 (Q2和Q5一组,Q3和Q4一组).将前面所 得到的2路相差为180度的信号用来控 制这两组信号放大电路的导通和关断. 因此当Q2和Q5导通,Q3和Q4关断时输出 交流电压的正半周;当Q3和Q4关断Q2和 Q5导通时输出交流电压的负半周所以 Q2、Q5和Q3、Q4轮流导通时,在小型升 压变压器两端就可以得到交流电压信 号(图6).
一 超声电机的动力
超声电机不像传统的电机那样， 利用电磁的交叉力来获得其运动和 力矩。超声电机则是利用压电陶瓷 的逆压电效应和超声振动来获得其 运动和力矩的，将材料的微观变形 通过机械共振放大和摩擦耦合转换 成转子的宏观运动。在这种新型电 机中，压电陶瓷材料盘代替了许许 多多的铜线圈。
医用超声电机
医用超声电机简介医用超声电机是一种应用于医疗行业的关键设备，它利用超声波技术来进行医学成像和治疗。
本文将对医用超声电机进行详细介绍，包括其原理、功能、应用领域以及发展前景。
一、原理医用超声电机基于超声波原理工作，其核心是超声发生器和超声探头。
超声发生器将电能转化为高频电能，然后通过超声探头将电能转化为机械振动能量。
探头上的压电晶体通过振动产生超声波，并将超声波传输到人体组织内。
当超声波遇到不同组织界面反射回来时，探头可以接收到这些回波，并将其转化为可视化的图像。
二、功能医用超声电机具有多种功能，主要包括以下几个方面：1. 医学成像：医用超声电机通过超声波成像技术，能够对人体内部的器官、血管、肌肉等进行非侵入性的成像。
医生可以通过观察这些成像结果，准确地判断病变部位和病情，从而辅助诊断和治疗。
2. 治疗：医用超声电机在医疗领域还具有治疗功能。
它可以通过超声波的热效应、机械效应和生物效应对病变组织进行治疗。
例如，在肿瘤治疗中，可以利用超声波的热效应将肿瘤局部加热，破坏癌细胞。
此外，超声波还可以用于局部消融、组织修复等治疗过程。
3. 导航定位：医用超声电机可以通过超声波成像技术提供实时的导航定位功能。
医生在手术过程中可以根据超声波成像图像，准确定位和操作内部结构，提高手术的精确性和安全性。
三、应用领域医用超声电机广泛应用于医疗领域，包括但不限于以下几个方面：1. 影像学科：超声波成像在影像学科中是一种常见的检查方法，医用超声电机在超声检查设备中起到关键作用。
它可以用于妇科、泌尿科、肿瘤科等多个医学影像学科。
2. 心血管领域：医用超声电机在心血管领域具有重要的应用价值。
通过心脏超声波成像，可以检查心脏结构、功能以及评估心血管疾病，如心肌梗死、心肌病等。
3. 产科：医用超声电机在产科领域也应用广泛。
通过超声波检查，可以观察和评估胎儿发育情况、胎盘位置以及宫内情况等。
4. 普外科：医用超声电机在普外科领域也有重要的应用。
超声波电机在医疗领域的应用
超声波电机在医疗领域的应用摘要：本文主要介绍了一种利用逆压电效应获得驱动力的的新型电机——超声波电机。
通过说明超声波电机的特定优点及工作原理，分析并展望了超声波电机在医疗领域等方面的应用。
关键词：超声波电机；医疗领域；注射器；内窥镜探头；多自由度关节1 引言超声波电动机是一种借助摩擦传递弹性超声波振动来获得驱动力的新型电机，和传统的电磁式电机的工作机理不同，超声波电机内部没有线圈和磁体，不需要通过电磁作用产生驱动力，这使其它具有低速大转矩、体积小、重量轻、无电磁干扰、响应速度快、运行时无噪声、断电自锁等特定优点。
上个世纪八十年代，日本的指田年生首次提出并制造出了一种可应用的驻波型超声波电机。
继而，国内外开始投入了很多力量对超声波电机进行应用研究。
在过去的几十年里，医疗领域是微电机技术应用最具代表性的领域之一，超声波电机在医疗领域的应用研究也一直都是焦点。
人们利用微型超声波电机攻克了一些医疗领域的技术难题。
2 超声波电机的原理2.1压电效应一般在电场作用下，某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形，带电粒子发生极化，某些介质也可以在纯机械应力作用下发生极化，并同时在两端表面内出现正负相反的电荷，这种现象称为正压电效应；反之，将电介质置于外电场中，在电场的作用下，这些介质会发生位移，随之电介质发生形变，当电场去掉后变形也消失，这种现象称为逆压电效应，也叫电致伸缩效应。
正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。
2.2超声波电机的工作原理超声波电机是基于压电材料的逆压电效应或电致伸缩效应使其电机定子产生微观机械振动，从而使用定子表面质点形成椭圆运动，然后通过定子和转子之间的摩檫力，将电能转换为机械能输出，从而驱动转子的运动。
超声波电机内部结构一般由振动体（定子）和移动体（转子）组成，振动体由压电陶瓷和金属弹性材料组成，移动体有弹性体和摩擦材料等组成。
3 医疗领域的发展随着我国经济的发展和人民生活的改善，医疗服务的需求逐步增加，我国的医疗领域技术也面临着新的挑战。
超声波电机工作原理
超声波电机工作原理
超声波电机是一种利用超声波振动产生机械运动的电机，其工作原理基于超声波的压电效应和谐振效应。
以下是超声波电机的基本工作原理：
1. 压电效应：超声波电机的关键部件是由压电陶瓷构成的振动片。
压电陶瓷具有压电效应，即当施加电场时，陶瓷发生机械变形，而当施加机械应力时，陶瓷产生电场。
2. 超声波振动产生：通过在压电陶瓷上施加高频交变电压，可以使陶瓷片振动，产生超声波。
这种超声波通常在20 kHz以上，远远超出人耳可听范围。
3. 谐振效应：超声波电机采用谐振效应，即在特定的频率下，振动片的振动幅度达到最大值。
通过调整施加在压电陶瓷上的电压频率，使其与振动片的谐振频率匹配，可以提高振动效率。
4. 工作部件：超声波电机中通常包含振动片、导向块和负载。
振动片振动时，通过导向块将振动传递到负载上，从而实现机械运动。
5. 无刷结构：由于超声波电机是通过振动产生机械运动，通常不需要传统电机中的刷子和换向器。
因此，超声波电机具有无刷结构，减少了摩擦和磨损。
超声波电机的优点包括高效率、精密控制、低噪音、无电磁干扰等特点。
它在一些需要高精度、低噪音、快速响应的应用领域得到广泛应用，如光学设备、精密仪器、医疗器械等。
超声波电机介绍及其应用
超声波电机介绍及其应用一、超声波电机的工作原理超声学科结合的新技术。
超声电机不像传统的电机那样，利用电磁的交叉力来获得其运动和力矩。
超声电机则是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。
二、超声波电机的产生20 世纪90 年代日本佳能公司研制出一种压电电动机，这种电动机的工作原理是利用逆压电效应把电能转换成机械能。
常见的压电电机也是由定子和转子组成，但定子是由压电材料和金属材料组合制成，转子是由金属材料制成；压电材料把电能转换成机械振动能，激励定子金属体振动；转子与定子相接触，通过摩擦力，定子的振动驱动转子运动。
由于定子的振动频率一般在大于20kHz 的超声频段，因此人们也将压电电机称为超声电机。
三、超声波电机的特点（1）超声电机可以得到较低转速，因此输出力矩较大，可以省去减速机构直接带动负载。
（2）因为超声电机不使用电磁场作为驱动力，因此电磁辐射小。
许多情况下，不希望有电机产生强电磁干扰，或者在强磁场环境中，电磁电机的正常工作会受到影响，而超声电机不需要做太多的电磁屏蔽处理就可以在这些条件下工作。
（3）超声电机依靠定、转子之间的接触摩擦作为驱动方式，关闭电源后转子就会马上停止，并在摩擦力的作用下固定不动（4）超声电机的响应时间较短，一般在十几毫秒以内。
（5）超声电机没有电磁线圈，可以不用铜材，节省原料造价。
（6）超声电机的转速可以通过改变驱动频率进行调节，比较灵活。
（7）超声电机在很小尺寸上都可以有效工作。
四、超声电机的分类（1）环形行波超声波电机。
在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的振动来传递能量，属连续驱动方式，其基础理论和应用技术均较成熟。
（2）小型柱体摇摆型超声波电机目前行波型超声波电机已有较成熟的设计方法，但该型电机在小直径（小于20mm）条件下，输出性能逐渐失去低速大扭矩的特点，而且由于其结构的限制，效率也很难提高。
第八章 超声波电机
1. 楔形超声波电机
电机主要由兰杰文振子、振子前端的
楔形振动片和转子三部分组成。振子
的端面沿长度方向振动，楔形结构振 动片的前端面与转子表面稍微倾斜接
图8-11 楔形超声波电机
触，诱发振动片前端向上运动的分量，
形成横向共振。纵、横向振动合成的结果，使振动片前端质点的运 动轨迹近似为椭圆。这种电机的优点：结构简单。缺点：在振动片 与转子接触处摩擦严重；仅能单方向旋转，且调速困难。
图8-9 典型的运行特性
8.4 行波型超声波电机的驱动与控制
8.4.1 速度控制方法
8.4.2 驱动控制电路
、
8.4.1 速度控制方法
转子运动速度的最大值为
vxmax kh00
条件： A B 0
kh0AB sin
2
2
仅有激励电压不对称时，最大速度为
情况为例，设定子在静止状态下与转子
表面有一微小间隙。当定子产生超声振 动时，其上的接触摩擦点A做周期运动，
其轨迹为一椭圆。当A点运动到椭圆的上
半圆时，将与转子表面接触，并通过摩 擦作用拨动转子旋转；当A点运动到椭圆
的下半周时，将与转子表面脱离，并反
向回程。如果这种椭圆运动连续不断的 进行下去，则对转子就具有连续定向的
8.3.4 电机的运行特性
超声波电机的运行特性主要是指转速、效率、输出功率等与输出转
矩之间的关系。这些特性与电机的类型、控制方式等有关。
机械特性：超声波电机的机械特性 与直流电动机类似，但电机的转速 随着转矩的增大下降更快，并且呈 现明显的非线性。 效率特性：超声波电机的最大效率 出现在低速、大转矩区域，因此适 合低速运行。目前环形行波型超声 波电机的效率一般不超过45%。
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超声电机
请注意：所有项目介绍内容必须进行非密化处理。
一、项目简介（包括项目背景、现状与前景）
（项目背景）
超声电机（Ultrasonic Motor，或简写为USM）是利用压电材料的逆压电效应，使弹性体（定子），在超声频段产生微米级的机械振动，通过定子和转子（或动子）之间的摩擦作用，将定子的微米级振动转换成转子（或动子）的宏观的单方向转动（或直线运动）。
它打破了由电磁效应获得转速和转矩的传统电机的概念。
它与传统的电磁电机相比，有一些独特的性能。
因此，超声电机技术在20世纪末期得到迅速的发展，并在航空航天、机器人、汽车、精密定位仪、微型机械等领域里得到成功的应用，成为当今国内外微特电机领域研究的热点之一。
(项目现状，包括成熟程度)
南京航空航天大学超声电机研究中心暨江苏省超声电机工程研究中心在国家自然科学基金、学校学科建设的支持下，全面开展了超声电机技术研究。
在超声电机的运动机理、机电耦合动力学模型、结构参数优化设计、驱动与控制等方面提出了系统的理论和方法，取得了突破性进展，获得国际同行的赞许。
广泛开展了超声电机试验技术、制造技术和工程化研究。
先后研发出16种具有自主知识产权的新型超声电机和驱动器，其中TRUM圆板式和BTRUM圆杆式二个系列旋转行波型超声电机技术成熟，正进行产业化开发，并向国内外推广应用。
（项目前景）
21世纪将是超声电机大放光芒的时代，为了发展我国人造卫星、导弹、火箭、飞机、机器人、微型机械、汽车、磁浮列车以及其他精密仪器，我国也将需要大量的高性能超声电机。
随着超声电机的进一步微型化，微型机械则可进入人体更多的部位，如作为人造心脏的驱动器，推动人造器官的发展。
未来的汽车需要的电机可多达80个，汽车门锁、玻璃升降、前视镜和雨刮器等，均可由超声电机来驱动。
掌上计算机、可视电话电视、手提式仪器都可用超声电机，这样可以大大减小其体积和面积。
二、项目合作基础（包括①已承担各类基础、应用项目；②已获专利、奖项及论文发表情况；③研究团队介绍）
南京航空航天大学超声电机研究中心于1997年由赵淳生院士创建。
它是国内第
一个专门从事超声电机的研究中心。
其目标是：发展我国拥有自主知识产权的超声电机技术，研制各种新型超声电机；培养超声电机领域高级技术人才。
✧先后获得15项政府资助，包括7项国家自然科学基金项目（其中1项重点项目
和1项重大项目子课题）、1项某部重点基金、1项国家“863”高技术、6项省部级基金。
✧先后研发出16种具有自主知识产权的新型超声电机和驱动器，其中包括TRUM
圆板式（直径为100－30mm，含TRUM－N无磁型和TRUM－E带编码器型）和BTRUM 圆杆式旋转型行波超声电机（直径为20－2mm）等二个系列产品。
✧授权和申请超声电机国家发明专利27项，发表论文200多篇，已培养博士后11
名，博士生12名，硕士生27名。
✧“超声电机的研究”项目，2003年获国防科学技术一等奖，“新型超声电机技
术”项目，2004年获国家技术发明二等奖，“超声电机技术”项目，2004年获中国（国际）发明博览会金奖。
✧本所现有教授4人，副高级职称6人，中级职称4人，博士后3人，博士生14
人，硕士生20人。
三、技术性能指标（技术优势或创新点）
TRUM系列旋转型行波超声电机性能性能指标
技术优势：
超声电机具有许多电磁电机所没有的特性：1.结构简单、紧凑、转矩/重量比大（5-10倍）；2. 低速大转矩，可实现直接驱动（不需齿轮箱）；3. 响应快（毫秒级），控制性能好；4. 断电自锁（能获得较大的自锁力矩）；5. 不产生磁场，亦不受外界磁场干扰；6. 低噪声运行（＜45dB ）；7. 可以在真空环境下工作（真空度可达10-6 Pa ）；8. 形状可以多样化：圆形、方形、空心状的等等。
主要创新点：
1、提出新型超声电机结构参数设计方法，大大提高了产品性能，据此研发了trum 旋
转型超声电机。
2、提出超声电机频率自动跟踪控制技术，大大提高了超声电机转速的稳定性，并研
发了相应的驱动器。
3、提出了杆式超声电机定子表面质点运动椭圆轨迹方程，提出定子与转子最佳接触
角和有效椭圆轨迹概念，并据此研发杆式行波形超声电机
4、提出超声电机自校正技术，使得超声电机具有更强的自校正功能。
5、提出压电陶瓷极化分区新方案，简化极化工艺，改善压电系数均匀性，提高机电
转换效率。
……
四、关键图、表与曲线
五、应用领域与举例
六、市场前景预测及经济与社会效益分析
以汽车为例，2005年我国汽车年产量已达320万辆，其中小轿车达110万辆。
假如每辆使用10个超声电机，那么小轿车上的超声电机年需求量超过1100万台。
如果其他如医疗器械、机器人、精密仪器、微机电系统、及其其它量大面广的低端产品等需求量在400万台以上，那么总数会超过2000万台。
以每台100元计算，那么年总产值可达20亿元。
按10%利润计算，每年的总利润可达2亿元。
预计销售趋势分析图 预计销售利润分析图
从销售趋势图可见，第二年以后销售量及销售收入增长较快，第三至第五年销售利润率渐趋稳定,基本保持在25%～30%之间。
小规模生产（不搞生产流水线）：投资500万元；大规模生产（搞流水线）：投资1亿元。
七、合作前景
1、产学研合作共同申报成果转化专项资金/科技支撑计划项目等计划类项目。
2、产学研合作共同成立校企联合研发中心等研发平台。
3、产学研合作共同申报国家、省市工程中心/国家、省市重点实验室等公共平台。
4、技术转让，合作开发。
八、项目联系人联系方式。