第11章 超声波电动机
超声波电机
电机学超声波电机2012年11月20日简介超声波电机（Ultrasonic Motor，简称USM）是20世纪80年代中期发展起来的一种全新概念的新型驱动装置。
超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应——在交变电场作用下，陶瓷会产生伸缩的现象——直接将电能转变成机械能，这种电机的工作频率一般在20kHz以上，故称为压电超声波电机。
超声波电动机的不同命名：如振动电动机(Vibration Motor)、压电电动机(Piezoelectric Motor)、表面波电动机(Surface Wave Motor)、压电超声波电动机(Piezoelectric Ultrasonic Motor)、超声波压电驱动器/执行器(Ultrasonic piezoelectric actuator)等等。
超声波电机实物图如下：一．发展1.探索阶段(1948年——20世纪70年代末)1）超声波电动机的概念出现于1948年，英国的Williams和Brown 申请了“压电电动机(Piezoelectric Motor)”的专利，提出了将振动能作为驱动力的设想，然而由于当时理论与技术的局限，有效的驱动装置未能得以实现。
2）1961年，Bulova Watch Ltd．公司首次利用弹性体振动来驱动钟表齿轮，工作频率为360Hz，这种钟表走时准确，每月的误差只有一分钟，打破了那个时代的纪录，引起了轰动。
3）前苏联学者V. V. Lavrinenko 于1964年设计了第一台压电旋转电机，此后前苏联在超声波电机研究领域一度处于世界领先水平，如设计了用于微型机器人的有2 或3 个自由度的超声波电机、人工超声肌肉及超声步进电机等。
不过，由于语言等方面的原因, 前苏联的一些重要研究成果并未被西方科学界所充分了解。
4）1969 年，英国Salfod 大学的两名教授介绍了一种伺服压电电机，这种电机采用二片式压电体结构，其速度、运动形式和方向都可以任意变化，响应速度也是传统结构电机所不能及的。
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。
超声波电动机
人耳能感知的声音频率，约为50Hz ～20kHz之范围，因此超声波为20kHz 以上频率之音波或机械振动。超声波电 动机与传统的电磁式电动机不同,它是 利用压电陶瓷的逆压电效应，将超声振 动作为动力源的一种新型电动机，其外 形如图所示。
利用电压源驱动，发生向右方向传播的进行波 (顺转)。 B相利用电压 源进行波方向为向左传播的进行波(逆转)。下图为单压电芯片型超声波 电动机等效电路图。
二、超声波电动机的特点及应用
1. 超声波电动机的特点
（1）低速大转矩、效率高。 （2）控制性能好、反应速度快。 （3）形式灵活，设计自由度大。 （4）不会产生电磁干扰。 （5）结构简单。 （6）震动小、噪音低。
2. 超声波电动机工作原理 超声波电动机的工作是在极化的压电晶体上施加超声波频率的交
流电，压电晶体随着高频电压的幅值变化而膨胀或收缩，从而在定子 弹性体内激发出超声波振动，这种振动传递给与定子紧密接触的摩擦 材料以驱动转子旋转。
2. 超声波电动机工作原理 当使用振动材质为压电陶瓷，两个电压源以适当的间隔配置。A相
一、超声波电动机的结构和工作原理
1.超声波电动机的结构 超声波电动机一般由定子（振动部分）和
转子（移动部分）两部分组成，如图所示。该 电动机中既没有线圈也没有永磁体，其定子是 由压电晶体、弹性体(或热运动器件)、电极构 成的；转子为一个金属板，转子均带有压紧用 部件，加压于压电晶体上，定子和转子在压力 作用下紧密接触。为了减少定子、转子之间相 对运动产生的磨损，通常在两者之间(在转子 上)加一层摩擦材料。
2. 超声波电动机的应用
由于超声波电动机具有电磁电动机所不具备的许多特点，尽管 它的发明与发展仅有二十多年的历史，但超声波电动机已在照相机 的自动变焦镜头、微型飞行器、电子束发生器、智能机器人、焊接 机、轿车电气控制设备、航空航天工程、医疗理分析 2. 超声波电动机的特点和应用
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。
超声波电机频率自动跟踪与负载匹配技术
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超声波电机的结构
超声波电机的结构
超声波电机（Ultrasonic Motor）是一种利用超声波振动能量进行驱动的特殊电机。
它主要由定子、转子和其他辅助部件组成。
一、定子
定子是超声波电机的主要组成部分之一，通常由金属材料制成。
定子通常具有两个或多个振荡器，这些振荡器是用来产生超声波振动的。
定子上的振荡器通常是通过在金属材料上刻蚀或钻孔来制造的，这样可以在定子上形成一系列的振动节点和振动位移。
二、转子
转子是超声波电机的另一个重要组成部分，它通常由非金属材料制成，如陶瓷、玻璃或碳纤维等。
转子通常具有一个或多个超声波振动膜片，这些膜片是用来接收定子产生的超声波振动并转换成转动的动力。
转子上的膜片通常是通过在非金属材料上切割或钻孔来制造的，这样可以在转子上形成一系列的振动节点和振动位移。
三、辅助部件
除了定子和转子之外，超声波电机还需要一些辅助部件来确保其正常运转。
这些辅助部件包括：
1.驱动电路：用于产生高频振荡信号，驱动定子产生超
声波振动。
2.位置传感器：用于检测转子的位置和速度，确保电机
能够准确地控制转子的运动。
3.散热器：用于降低电机内部的温度，防止过热对电机
造成损坏。
4.轴承：用于支撑转子，减少摩擦和磨损，提高电机的
使用寿命。
总之，超声波电机是一种利用超声波振动能量进行驱动的特殊电机，它主要由定子、转子和辅助部件组成。
这些组成部分协同工作，使得超声波电机能够实现高精度、高速度和高效率的驱动。
超声波电机
圆筒型行波型超声电机一、简介1942年williams和Brown提出超声电机的概念，1981年日本新生工业(Shinsei)公司的总裁指田年生(Toslliiku sashida)制作了世界上第一台具有实用价值的振动片型超声波马达，自那时以来各种新型式的超声电机不断涌现，例如按驱动形式可分为行波型超声电机旧、复合型超声电机M1及多自由度超声电机．为增大定转子之间接触区形状和面积，提高马达的转矩，提出了一种柱面驱动行波超声电机，它的接触区域不同于以往的圆板和圆环超声电机，它是以圆柱面母线为中心的矩形区域，沿轴向接触具有一致性，提高定转子之间的预紧力和接触面积，从而提高了电机的力矩输出。
二、行波型超声电机的结构行波型超声电机(TRUM)是从上个世纪八十年代发展起来的一种新型微特电机，是最具代表性和当前应用最多的一类超声电机。
本文所述的这种筒状行波超声电机，定子为筒状，结构如图1所示。
图1 圆筒型行波超声电机传统的圆板型定子被新型圆筒定子代替。
压电陶瓷元件粘贴在圆通定子外壁上的合适位置，而在传统电机中，是贴在圆板型定子的底端面。
值得一提的是用于前者上的压电陶瓷比后者更易于加工，成本更低。
图2所示为粘贴有压电陶瓷的圆筒型定子和圆筒式定子主体，长条形的是PZT。
图2 粘有PZT的圆筒定子因为定子的特殊结构及有两个端面，如果两个端面都是自由的，就都会产生行波，而且这两个行波的运动方向相同。
如果用两个同轴转子与定子配合，随着摩擦力的增加，电机的输出力矩也将会增加。
虽然这样会给电机带来新的问题，但值得一试。
三、工作原理超声电机的机理是基于压电陶瓷的换能器，利用压电陶瓷的逆压电效应．把电能转换成机械能。
本文所提的电机采用的是薄片状压电陶瓷，沿厚度方向极化，压电振子的振动模式是垂直于极化方向的伸缩振动。
在两组压电陶瓷元件上分别施加相位差为π/2的同频率(超声频段内)、等幅麦变电压，通过压电陶瓷元件的逆压电效，可以在定于的模态频率上激发出幅值相等、在时间和空间上均相差π/2的模态响应。
第十章 超声波电机
压电材料的应变
10.超声波电动机
2.椭圆运动及其作用
逆压电效应 压电振子 (定子) 多点激励 振动行波 振动驻波 扭转振动 伸缩振动 弯曲振动 椭圆运动 转子旋转或移动
质点运动轨迹
椭圆运动的作用
10.超声波电动机
有二个空间相互垂直的振动位移ux和uy，均是由简谐振动形成的， 振动角频率为，振幅分别为 x 和 y ，时间相位差为
相位差
非线性，不易实 现低速起动，有 死区，实现电路 较复杂
电压 幅值
两相电压 幅值相等
改变行波振幅
特性线性度好， 调节范围小，低 实现电路较简 速时转矩小，有 单 死区
10.超声波电动机
五、行波型超声波电机的驱动电路
驱动电路 电源
高频信号 发生器
移相器
相 位 检 测 超声波 电机
频率自动跟踪电路
超声波电动机几种控制方法的比较控制变量控制方法说明优点缺点频率通过调节谐振点附近频率控制转矩与转速响应快易于实现低速起动电路简单非线性相位差改变定子表面质点椭圆运动轨迹可控制电机转向非线性不易实现低速起动有死区实现电路较复杂电压幅值两相电压幅值相等改变行波振幅特性线性度好实现电路较简单调节范围小低速时转矩小有死区10
驱动电路框图
10.超声波电动机
六、其它类型超声波电机
1.驻波型超声波电机
楔形超声波电机
振子产生纵向振动，转子的倾斜产 生切向运动，二者合成椭圆运动。
10.超声波电动机
六、其它类型超声波电机
1.驻波型超声波电机
纵-扭复合型超声波电机
纵振子实现定转子间的接 触；扭振子使定子的上端 面质点产生椭圆运动。
10.超声波电动机
六、其它类型超声波电机
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某行波型超声波电机的典型结构
某行波型超声波电机运行原理图
超声波电机不同于电磁式电机，它具有以下特点：
（1）低速大转矩。超声波电机振动体的振动速度和摩擦传动机制决定了 它是一种低速电机，但它在实际运行时的转矩密度一般是电磁电机的10倍 以上。因此，超声波电机可直接带动执行机构，这是其它各类驱动控制装 置所无法达到的。由于系统去掉减速机构，这不仅减小体积、减轻重量、 提高效率，而且还能提高系统的控制精度、响应速度和刚度。 （2）无电磁噪声、电磁兼容性（EMC）好。超声波电机依靠摩擦驱动， 无磁极和绕组，工作时无电磁场产生，也不受外界电磁场及其他辐射源的 影响，非常适用在光学系统或超精密仪器上。 （3）动态响应快、控制特能好。超声波电机具有直流伺服电机类似的机 械特性（硬度大），但超声波电机的起动响应时间在毫秒级范围内，能够 以高达1kHz的频率进行定位调整，而且制动响应更快。 （4）断电自锁。超声波电机断电时由于定、转子间静摩擦力的作用，使 电机具有较大的静态保持力矩，实现自锁，省去制动闸保持力矩，简化定 位控制。 （5）运行无噪声。由于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，低速时产生大转矩，无齿轮减速机构，运行非常安静。 （6）微位移特性。超声波电机振动体的表面振幅一般为微米、亚微米， 甚至纳米数量级。在直接反馈系统中，位置分辨率高，较容易实现微米、 亚微米级、纳米级的微位移步进定位精度。
环形行波型超声波电机的结构
行波型超声波电动机结构
压电陶瓷（PZT）极化分布
定子振动原理
超声波电动机变频调速系统原理框图
压电传感器直接反馈频率控制原理图
超声波电机应用
超声波电机应用
超声波电机应用
赵淳生
11.1 行波型超声波电动机
行波型超声波电机就结构来g-Wave Ultrasonic Motors，简称 RTWUSM）和圆盘式超声波电机（Disk-type Ultrasonic Motors， 简称DTUSM），RTWUSM是目前国内外应用和研究最多的电 机。后图为RTWUSM的基本结构分解图，定转子均为圆环形结 构。其中，转子同定子的接触面覆有一层特殊的摩擦材料，定 子上开有齿槽，定转子之间依靠蝶簧变形所产生的轴向压力紧 压在一起。
第11章
超声波电动机
超声波电机是国内外日益受到重视的一种新型直接驱动 电机。它与传统的电磁式电机不同，没有磁极和绕组，不依 靠电磁介质来传递能量，而是利用压电材料（压电陶瓷）的 逆压电效应把电能转换为弹性体的超声振动，并通过摩擦传 动的方式转换成运动体的回转或直线运动，这种新型电机一 般工作于20KHZ以上的频率，这个频率已超出人耳所能采集 到的声波范围，因此称为超声波电机。