超声电动机模型分析的研究
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扭纵复合型超声电动机的时域驱动模型
电动 机引起 了人们 的普遍 关注 ，并进行 了广泛 的试 验研 究 ７ １ 。但 是， 由于发 展 历 史较 短 ， 目前对 这 种 电动机 的运行机 理及 其 性能仍缺 乏深 入 的理论分 析 国 内外许 多学者普 遍采 用等 效电路法研 究【 。 】 然而 ，这种 方法 常常忽 视输 入参数 的变化 ，只能定 性地 解释 电动机 的特性 ，不 能详 细分 析定子和 转 子 接触摩 擦行 为 。本 文借助 于 动力 学原理 ，提 出一种 新 的扭纵 复合型超 声 电动机ｆ 简称 Ｔ Ｈ Ｍ） Ｌ ＵＳ 的时域 驱动模 型 。该模型将 为 Ｔ Ｈ Ｍ 的设计提 供理论 Ｌ ＵＳ
扭纵复合型超声 电动机 的时域驱 动模型
曲建俊 姜开利 袁世 明 周铁 英
１０ ８１ ００ ４
（ 华大 学物 理系 北京 清
摘要 ：基 于动力学原理 ．提 出了一种扭纵复合型超声电动机（Ｌ Ｓ 的时域驱动模型 。该模型可 以模拟计算超 １ ＨＵ Ｍ）
声电动机 的转速、转矩 和效率等特性 试验 表明．用提 出的模型计算 的超声 电动机的负载特性和效率与试验结果
２ｏ ｏ １ ｏ ｌ９ ２收到修 改稿
维普资讯
机
械
工
程
学
报
第 ３ ８卷第 ２期
（）假 设 定 子的振 动 是 理想 的 Ｊ弦波 ，其波 形 ２ Ｅ 和振动频 率不受 与转 子接触 的影 响 （）在 计算 电动 机 的效 率 时 ，将 定 子 的 电能和 ３ 机 械 能转换效率 用一 个效 率系数 表 示，本文 只研 究定子 输 出界面 的摩 擦效 率 聃
１ 扭纵复合型超声 电动机 的结构和
原理
Ｔ Ｈ Ｍ 是 由定 子 和转子 两 部 分构 成 ．并 且 Ｌ ＵＳ
扭纵复合型超声 电动机 的时域驱 动模型
曲建俊 姜开利 袁世 明 周铁 英
１０ ８１ ００ ４
（ 华大 学物 理系 北京 清
摘要 ：基 于动力学原理 ．提 出了一种扭纵复合型超声电动机（Ｌ Ｓ 的时域驱动模型 。该模型可 以模拟计算超 １ ＨＵ Ｍ）
声电动机 的转速、转矩 和效率等特性 试验 表明．用提 出的模型计算 的超声 电动机的负载特性和效率与试验结果
２ｏ ｏ １ ｏ ｌ９ ２收到修 改稿
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机
械
工
程
学
报
第 ３ ８卷第 ２期
（）假 设 定 子的振 动 是 理想 的 Ｊ弦波 ，其波 形 ２ Ｅ 和振动频 率不受 与转 子接触 的影 响 （）在 计算 电动 机 的效 率 时 ，将 定 子 的 电能和 ３ 机 械 能转换效率 用一 个效 率系数 表 示，本文 只研 究定子 输 出界面 的摩 擦效 率 聃
１ 扭纵复合型超声 电动机 的结构和
原理
Ｔ Ｈ Ｍ 是 由定 子 和转子 两 部 分构 成 ．并 且 Ｌ ＵＳ
谐波减速式超声波电动机的设计与实验研究
： 构简单 、 转矩／ 质量 比大 、 低速大扭矩等特点 ， 可实现
直接 驱动 ， 响应 快 ， 能够 断 电 自锁 ， 不产 生磁 场 ， 不 也
受外界磁场干扰 ， 能够适应高低温真空等恶劣条件。
因此 ， 超声 波 电 动 机 技 术 在 ２ ０世 纪 末 得 到 迅 速 发
图１ 所示。定子金属弹性体上下表面每片压电陶瓷
声波电动机的最大空载速度 ， 实验 获得 的传动 比比设 计 的理论传 动 比大 ２ ％。实验结果表 明该电机 能够低速可 且 ０ 靠的运行 。 关键词 ： 谐波摩擦 传动 ； 谐波 电机 ； 面齿 ； 锥 行波 型超声波 电动机
中图分类号 ： Ｍ３ Ｔ ５
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：０ ４— ０ ８ ２ ０ ）２一 ｏ ４ ４ １ ０ ７ １ ｆ０８ ０ ｏ １ 一ｏ
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一
．
议． 舢 ． 第 ． ． 年 期 ： １持电相 ．． 二．＿ ２…
谐 波 减 速 式 超 声 波 电动 机 的设 计 与 实验 研 究
陈维 山， 李 霞， 军考 刘
ｅ ｐ ｒ ｎ ｓ ２ ％ ｌｒ ｅ ａ ｅ ｔａ ｓ ｓ ｉｎ ｒｔ ｅ ｉ ｅ ． ｅｅ ｐ ｒ ｎ ｅ ｕ ｔｓ ｏ ｅ ａ ｅ ｐ ｏｏｙ ｅ Ｃ ｏａｅ ｘ ｉ ｅ ｍｅ ｔ ｗａ ０ ａ ｇ ｒｔｎ ｔ ｎ ｍｉｓ ａｉ ｄ ｓ ｄ Ｔ ｘ ｉ ｈ ｈ ｒ ｏ ｏ ｎ ｇ ｈ ｅ ｍｅ ｔｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｄ ｔ ｔｔ ｒ ｔｔｐ ａ ｒ ｔｔ ｈ ｈ ｎ ｒ ｌ ｂ ｙ ａ ｏ ｐ ｅ ． ｅ ｉ ｌ ｔ ｗ ｓ ｅ ｄ ａ ｌ Ｋｅ ｒ ｓ ｈ ｒ ｎ ｃ ｆ ｃｉ ｎ ｄ ｉ ｅ ｈ ｒ ｎｃ ｍｏｏ ； ｏ ｅ—ｓ ａ ｄ ｇ ａ ；ｔ ｖ ｌ ｇ ｗ ｖ ｌ ａ ｏ ｉ ｔｒ ｙ ｗｏ ｄ ： ａ ｍｏ ｉ ｒ ｔ ｒｖ ； ａ ｍｏ ｉ ｔｒ ｃ ｎ ｉ ｏ ｈ ｐ ｅ ｒ ｒ ｅｉ ａ ｅ ｕ ｔ ｓ ｎ ｃ ｍｏｏ ｅ ａ ｎ ｒ
超声波电机等效电路
超声波电机等效电路介绍超声波电机是一种利用超声波技术驱动电机运动的装置，它能够实现高效、精准的动力传输。
超声波电机利用超声波振动产生电磁感应，从而驱动电机运动。
为了更好地了解超声波电机的工作原理和性能，需要进行等效电路建模。
等效电路模型超声波电机可以用等效电路模型来描述，这有助于我们更好地理解其工作原理和性能。
超声波电机的等效电路模型一般包括以下几个部分：1. 激励电源激励电源为超声波电机提供动力驱动。
它可以是直流电源、交流电源或其他形式的能量输入。
2. 超声波振荡器超声波振荡器是超声波电机的核心部件，它通过产生超声波振动，实现与电机之间的能量转换。
超声波振荡器可以采用压电材料或磁致伸缩材料。
3. 电磁感应装置超声波电机通过电磁感应装置将超声波振动转换为电磁力，从而驱动电机运动。
电磁感应装置一般由线圈和磁铁组成。
4. 电机电机是超声波电机的输出部件，它将电磁力转换为机械运动。
电机可以是直流电机、交流电机或其他类型的电机。
超声波电机的等效电路模型基于以上几个部分，可以建立超声波电机的等效电路模型。
其主要包括以下几个元件：1. 电源模型超声波电机所采用的电源可以用电源模型来描述。
对于直流电源，可以将其视为恒定电压源；对于交流电源，可以视为交流电压源。
电源模型可以用符号表示，如下所示：------|+|------V | ||-|其中，V表示电源的电压。
2. 振荡器模型超声波电机的振荡器可以用振荡器模型来描述。
振荡器模型包括一个表示振荡频率的元件，并与电源模型相连。
振荡器模型可以用符号表示，如下所示：--------|+|-----------------|+|--------| | | ||-| f |-|| |--------- ----------其中，f表示振荡频率。
3. 电磁感应装置模型超声波电机的电磁感应装置可以用电感和电阻模型来描述。
电感模型表示电磁感应装置的电感特性，电阻模型表示电磁感应装置的电阻特性。
三波谐波摩擦传动超声波电动机理论研究
ｓｒ ｅ ． ｈ ｎｔｅｗ ｒｉｇｐ ｎ ｉｌ ｆｔｅｈ ｒ ｎｃｆ ｃｉｎｄ ｖ ｓａ ａｙｅ ｎ ｅｆ ｘｐｉｅｗａｅｏｍ ａ ｄｔｅｔａｅ ｔ— ｃ ｂ ｄ Ｔ ｅ ｈ ｏｋｎ ｒ ｃｐｅｏ ａｍｏ ｉ ｒ ｔ ｒ ｅｗａ ｎ ｌｚｄａ ｄｔ ｅ ｓｌ ｖｆｒ ｎ ｒｊｅｏ ｉ ｉ ｈ ｉ ｏ ｉ ｈ ｌ ｎ ｈ
三
主要结 构 为刚轮 、 轮和 超声波 波发 生器 ， 图 １所 波 柔 如
谐 摩 传
动 超 声 电 机
理
示 。超声 波波发 生器 由双 锥 面齿行 波超声 波 电动机 波 和 布置在 其外 圆周 上 的三个滚 动体 组成 。相对 于双 擦 波谐 波传 动 ， 波谐 波传 动具 有接触 时接触 面 积大 、 三
式 中 ： 为柔轮 中性 面 的等效 半径 。 ｒ
第二 阶段 ： 线元从 ０ｂ 移至 口ｂ， 向位 移 由 ，： ２ 。 切
图 １ 谐 波 摩擦 超 声 波 电 动机 结 构
变为 ｖ ｄ ， ＋ ｖ 线元增 量 ：
ａ ｂ —ａｂ （ ＋ｄ ）一 ＝ｄ ｌｌ ２２ ｖ
２谐波摩擦超声 波电动机的理论研究
论 研 究
因加工 和装 配误 差使柔 轮 与刚轮 接触 不到或 接触过 紧 。另 外 ， 动体 相 对定 子轴 同心 度 的误 差 补偿 依 滚
一
歹 玛 研 ■
… … Ｅ ５ … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …
２ １谐波摩 擦传动原 理 ． 谐 波摩擦 传动是 在谐 波齿轮传 动理论基 础上提 出的利 用摩擦 力进 行运 动 和 动力 传 递 的传 动方 式 。 谐 波摩擦 传动将 谐 波传 动 和摩 擦 传 动结 合起 来 ， 把 柔 轮和 刚轮作成 光 滑表 面 ， 轮和 刚 轮过 盈 配合 产 柔
一种新型行波超声波电动机的研究
同于以往超 声波 电动 机定转子 之 间动 态过程 中为点 接触 的 结构形式 ， 采用 了线接触的新型结构。运用振动理论 推导 了 电机驱 动原理 ， 并用 Ａ Ｓ Ｓ软件建 立 了电机定 子有 限元模 ＮＹ 型， 分析 了电机定 子各 项参数 对其 动态特性 的影 响 ， 过实 通 验得到 了该 电机 的动态特性 。 关键词 ： 超声波 电动机 ； 柱面驱动 ； 行波 ； 有限元 中国分类号 ： Ｍ３ Ｔ ￥ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０４— ０ ８ ２ ０ ）３—０ １ ０ １０ ７ １ （０ ６ ０ ０ ３— ３
Ａｂ ｔａ ｔ Ａ ｎ ｗ ｔｐ ｒｖ ｌ ｇ ｗ ｖ ｕｔａ ｏ ｉ ｍｏｏ ｓ ｓｒ ｃ ： ｅ ｙ ｅ ｔａ ｅ ｉ ａ ｅ ｌ ｓ ｎ ｃ ｎ ｒ ｔｒ ｉ ｐ ｅ ｅ ｔｄ Ｉ ｉ ｄ ｆ ｒ ｎ ｒ ｍ ｏ ｏ ｍｅ ｔ ｒ ｗｈ ｓ ｏ ｏ ｒｓｎｅ ． ｔ ｓ ｉｅｅ ｔｆ ｆ ｏ ｓ ｍｅ ｆ ｒ ｒ ｍｏ ｏｓ ｏ ｅ ｒｔｒ ａ ｄ ｓａｏ ｒ ｎ ｆ ｃ ｉｎ ｌ ｃ ｎ ａ ｔｂ ｅ ｅａ ｏｎ ｓ ｄ ｒｎ ｈ ｎ ｔ ｔｒ ａｅ ｉ ｒ ｔ ａ ｏ ｔｃ ｙ ｓ ｖ ｒ ｌ ｐ ｉ ｔ ｕ ｇ ｔ ｅ ｉ ｏ ｉ ｄ ｎ ｍｉ ｐ ｏ ｅ ｓ ａ ｄ ｔ ｓ ｙ ｈ ｌ ｅ ｕ ｎ ｔ ｅ ｙ ａ ｃ ｙ ａ ｃ ｒｃ ｓ ， ｎ ｉ ｂ ｔ ｅ ｉ ｄ ｒ ｇ ｈ ｄ ｎ ｍｉ ｉ ｎ ｉ
有限元模型 ， 同时分析了定子各项参数对 电机动态 特性 的影响 ， 并通过实验验证 了理论分析 ， 从而为超 声波 电动机的制造和优化设计提供了有力的依据。
２电机结构及运行机理
２ １电机 结构 ．
超声波 电动机的性能主要取决于定转子结构形
式， 目 而 前多数行波电机结构（ 如圆盘或 圆环 ） 动态
新型柱体超声波电动机有限元设计
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｒｅ ｅ ｒｈ ｏ ｏ ｓｒ ｃ ： ｓ ａ ｃ ｎ ｒ ｄ—ｔｐ ｎ ａｕ ｅ ｐ ｅ ｏ ｌｃｒｃｕ ｔａ ｏ ｉ ｔｒｗ ｓｂ ｅ ｙｒ ｖ ｅ ｄ ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒ Ａ ｎ ｗ ｒ ｄ ｙ ｅ ｍｉ ｉ ｔｒ ｉ ｚ ｅｅ ｔ ｌ ｓ ｎ ｃ ｍｏｏ ａ ｒ ｆ ｅ ｉｗｅ ｔ ｉ ａ ｅ ． ｅ ｏ ｉ ｒ ｉｌ ｎ
０引 言
超 声波 电动 机是 采用 压 电材料 驱动 的一 种新 型
的柱体 超声 波 电动机 进行 了研 究并 用 于二维 微动 台 的驱动 机构 ＿ ； 南 大学 优 化 设计 了短 柱 体 超 声 波 ４东 电动机 并用 于导 弹 的导 引头 中 ； 航 超 声 电机研 南 究 中心 对上 端 自由 、 边 固支 的 圆柱 体 弯 曲行 波 压 底 电超声 波 电动 机 运 动 机 理 进 行 了研 究 。本 文 对 自由 一轴支 的小 型 柱 体超 声 电动 机 的结构 、 动 理 振 论、 振型 特点 、 行机 理 、 运 电动机 的有 限元模 型 、 陶瓷 片对 电动机 振动 特性 的影 响等 方 面 进 行研 究 ， 优化 设计 制 作 了直 径 为 １ ｍ 的小 型 柱 体 超 声 波 电动 ５ｍ 机 ， 出 了一 些有 益 的结论 。 得
（ ．Ｚ ｅ ｇｈ ｕＩｓｔｔ ｏ ｉ ｔ ｎ ｕｔ ，ｈ ｎ ｚｏ ５ ０ ２， ｈ ａ １ ｈ ｎｚｏ ｔｕｅ ｆ ｇ ｄ ｓ ｙ Ｚ ｅ ｇｈ ｕ４ ０ ０ Ｃ ｉ ； ｎｉ ＬｈＩ ｒ ｎ
２ Ｈ ｎｎＵ ｉｅｓｙｏ ｅ ｈ ｏ ｇ ，ｈ ｎ ｚｏ ５ ０ ７， ｈ ａ ． ｅ ａ ｎｖｒ ｔ ｆ ｃ ｎｌ ｙ Ｚ ｅ ｇｈｕ４ ０ ０ Ｃ ｉ ） ｉ Ｔ ｏ ｎ
ｔ ｎ ｄ ｓｇ ａ ｔ ｄ ｃ ｄ ｉ ｅｍ１ Ｔ ｅｍｏ ｏ ｇ ｖｂ ａ ｉｎ ｍｏ ｅ ｎ ｒ ｉ ｇｍｅ ｈ ｎ ｓ ｗ ｒ ｘ ｌｉ ｅ ｓｎ ｅｆ ｉｅ—ｅ－ ｉ ｅ ｉ ｎ ｗ ｓｉ ｒ ｕ ｅ ｄ ｔ ． ｈ ｔ ｒ ｉ ｒｔ ｄ ｓａ ｄ ｄ ｖｎ ｃ ａ ｉｍ ｅ ｅ ｅ ｐ ａｎ ｄ ｕ ｉｇ ｔ ｎ ｔ ｏ ｎ ｏ ｎ ｏ ｉ ｈ ｉ ｌ ｅ ｎ ｔｏ ． ｈ ｉ ｒ ｔ ｎ ｍｏ ｅ ｏ ｔｒｓａｏ ， ｆ ｃｓ ｏ ｌ ｔ ｏ ｔｔｒ ｐ ｓ ｉｎ ｏ ｉ ｚ ｅｅ ｔ ｃ ｐ ａｅ ａ ｄ ｍｏ ｅ ｍｅ ｇ ｍｅ ｔ ｍｅｈ ｄ Ｔ ｅ ｖｂ ａｉ ｄ ｆｍｏｏ ｔｔｒ ｅｆ ｔ ｆｓｏｓ ｎ ｓａｏ ， ｏ ｉ ｏ ｆｐ ｅ ｏ ｌｃｒ ｌｔ ｎ ｄ ｒ ｅ ｏ ｅ ｔ ｉ ｗｅ ｅ ｉｖ ｓｉａ ｅ ｎ ｉ ｌ ｔ ｎ ｒ ｓ ｌ ｅ ｅ ｌ ｔｄ ｒ ｎ ｅ ｔ ｔ ｄ ａ ｄ ｓｍｕ ａｉ ｅ ｕ ｔ ｗ ｒ ｉ ｅ ． ｇ ｏ ｓ ｓ Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ｔ ｓ ｎ ｃ ｍｏｏ ； ＥＡ ｍｏ ｅ ； ｔｔｒｓｒ ｃｕ ｅ ｄ ｓ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｌ ｏ ｉ ｔｒ Ｆ ｄ ｌ ｓａｏ ｔ ｔｒ ｅ ｉ ａ ｒ ｕ ｇ
０引 言
超 声波 电动 机是 采用 压 电材料 驱动 的一 种新 型
的柱体 超声 波 电动机 进行 了研 究并 用 于二维 微动 台 的驱动 机构 ＿ ； 南 大学 优 化 设计 了短 柱 体 超 声 波 ４东 电动机 并用 于导 弹 的导 引头 中 ； 航 超 声 电机研 南 究 中心 对上 端 自由 、 边 固支 的 圆柱 体 弯 曲行 波 压 底 电超声 波 电动 机 运 动 机 理 进 行 了研 究 。本 文 对 自由 一轴支 的小 型 柱 体超 声 电动 机 的结构 、 动 理 振 论、 振型 特点 、 行机 理 、 运 电动机 的有 限元模 型 、 陶瓷 片对 电动机 振动 特性 的影 响等 方 面 进 行研 究 ， 优化 设计 制 作 了直 径 为 １ ｍ 的小 型 柱 体 超 声 波 电动 ５ｍ 机 ， 出 了一 些有 益 的结论 。 得
（ ．Ｚ ｅ ｇｈ ｕＩｓｔｔ ｏ ｉ ｔ ｎ ｕｔ ，ｈ ｎ ｚｏ ５ ０ ２， ｈ ａ １ ｈ ｎｚｏ ｔｕｅ ｆ ｇ ｄ ｓ ｙ Ｚ ｅ ｇｈ ｕ４ ０ ０ Ｃ ｉ ； ｎｉ ＬｈＩ ｒ ｎ
２ Ｈ ｎｎＵ ｉｅｓｙｏ ｅ ｈ ｏ ｇ ，ｈ ｎ ｚｏ ５ ０ ７， ｈ ａ ． ｅ ａ ｎｖｒ ｔ ｆ ｃ ｎｌ ｙ Ｚ ｅ ｇｈｕ４ ０ ０ Ｃ ｉ ） ｉ Ｔ ｏ ｎ
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两相行波超声波电动机系统平均值模型研究
ｏ ｓｙ ｒｄ ｃ ｓｃ ｍｐ ｔ ｇ ｔ ｏ ａ ｅ ｉ ｅ ｉｓａ ｔ ｎ ｏ ｓｖ ｌ ｅ ｍｏ ｅ ． ｈ ｎ ｉ ｉ ｃ ｎ ｕ ｉｅ ｔ ｅ ｌ ｔ ｏ ｔ ｌａ ｐ ｉ ｕ ｌ ｅ ｕ ｅ ｏ ｕｉ ｍｅ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗ ｔ ｔ ｎ ｔｎ ａ ｅ ｕ ａｕ ｄ １ Ｔ ｅ ｔ ｓ ｏ ｄ ｃ ｖ ｒ ａ － ｉ ｃ ｎ ｒ ｐ ｌ ｎ ｉ ｈｈ ｏ ｍｅ ｏ —
Ｐ ＮＧ Ｈｕ — ｈ ｈ．ｉｌＪｎ — ｈ ｏ。Ｉ ｈ ｏ ｋ ｔ Ａ ａ ｓａ Ｓｌ ｉｇ ｚ ｕ Ｌ Ｕ Ｚ ａ － ｕ
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ｃｅ ｔ． ｉｎ ｓ Ｔｈｅ ｍｏ ｅ ｆｒ ｓ ｎ ｌｔｃ ｎ ｅ ｔｒｗａ ｓａ ｌｓ ｅ ｒｏ ｔｍｉｅ ｏ ｔｏ ｃ ｎ ｅ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｐｒｎ ｉ ｅ ｏ ｅ ｈａ ｉａ ｄ ｌｏ ｅ ｏ ａｌ ｏ ｖ ｒｅ ｓ ｅ ｔｂ ｉｈ ｄ ｈ） ｐ ｉ ｚ ｄ ｃ ｎ ｒｌｓ ｈｅ ｌ ｓｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｉ ｃｐｌ ｆｍ ｃ ｎｃ ｌ ａ ｄ ｅ ｅ ｔｉａ ｏ ｖ ｒｉ ｎ Ｔｈｅ ａ ａ ｙｉａ ｔ ｄ ｎ ｌｃ ｒｃ ｌｃ ｎ ｅ ｓｏ ． ｎ ｌｔｃ ｌｍｅｈｏ ｗａ ｐ ｉｄ ｆ ｒｔ ｅ ｎ ｅ ｔｒ ａ ｄ ｔｔｒ ｏｔｒｃ ｎ ａ ｔ ｓ ａ ｐｌ ｏ ｈ ｉｖ ｒｅ ｎ ｓａｏ ／ｒ ｏ ｏ ｔ ｃ ｍｏ ｕ ｅ， ｅｉ ｉａ ｉｇ ｅ ｄｌ ｌ ｎ ｔｎ ｍ ｃｒ ｕ ｔｓ ｔｈｉ ａ ａ ｔｒｓｉｓａ ｄ ｒ ｆｅ ｔｎ ｈ ｏｅ ｏ ｏ —ｌ ａ ｏ ｔ ｃ ｏ ｃ ． ｍｕ ａｉ ｎ ｒ ｓ ｌｓ ｃ ｍｐａ ｅ ｔ ｘ ｅ ｉ ｉｃ ｉ ｗｉｃ ｎｇｃｈ ｒ ｃ ｅｉｔｃ ｎ ｅ ｃ ｉｇ ｔ ｅ ｒ ｌ ｆｎ ｎ ｉ ｒｃ ｎ ａ ｔｆｒ ｅ Ｓｉ ｌ ｔｏ ｅ ｕ ｔ ｏ ｌ ｎｅ ｒｄ ｗｉｈ ｅ ｐ ｒ— ｍｅ ｔｌｄ ｔ ｓ ｗ ｔ ｔｔ ｅ ｍｏ ｅ ｅ ｅ ｔ ｈ ｉ ｓ ｅｃｓｏ ｏ ｉ ｅ ｒｄ ｎａ ｃ ｃ ｒ ｃ ｅｉｔｃ ａ ｄ ｉｓ ｓｍｐ ｉｃ ｔｏ ｂｖ— ｎ ａ ａ ａ，ｈｏ ｈａ ｈ ｄ ｌｒ ｆ ｃｓ ｔｅ ｍａｎ ａ ｐ ｔ ｆｎ ｎｌｎ ａ ｙ ｍｉ ｈａ ａ ｔ ｒｓｉｓ， ｎ ｔ ｉ ｌｆａ ｉｎ ｏ ｉ ｌ
超声波电动机发展现状及应用
０引 言
传 统 电磁式 电机是 依据 电磁感 应定 律 和 电磁 力
１超声波 电动机的基本原理及基本结构
超声 波 电动机 利用压 电材 料 的逆压 电效 应将 高 频 的 电能转化 成定 子 的高 频机 械振 动 能 量 ， 定 子 使 达 到机械 共振 状态 ， 然后 通 过 定 子 和转 子 之 间 的摩 擦 力驱 动转 子运动 … 。 图 １是 超 声 波 电动 机 基 本 结 构 ， 由壳 体 、 它 轴 承、 转子 、 子 、 簧 、 电陶瓷等组 成 。与传 统 电机 定 蝶 压 的最重要 的区别在 于 电机 中既没有 线 圈也没 有永 磁
矩， 具有无 电磁 干 扰 、 应迅 速 等 特 点 ， 响 因而迅 速发
超 声 波
体， 其定子 由弹性体和压电陶瓷构成 ， 转子由金属板
－
ｅ ｄ ａ ｅ ｓ Ｔ ｅ ｂ ｓｃ ｐ ｎ ｉ ｌ ｆｕ ｔ ｓ ｎ ｃ ｍｏｏ ｓ ａ ｄ ｓ ｃ ｕ ｅ ｗ ｒ ｅ ｃ ｂ ｄ Ｔ ｅ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｒ ｓ ｅ ｔ ， ｄ ａ ｔｇ ｓ ｎ ｒ ａ ． ｈ ａ ｉ ｒ ｃｐ ｅ ｏ ｌ ａ ｏ ｉ ｉ ｒ ｔｒ ｎ ｔ ｔ ｒ ｅ ｅ ｄ ｓ ｒ ｅ ． ｈ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｐ ｏ ｐ ｃｓ ａ ｖ ｎａ ｅ ｕ ｒ ｉ
及 质 量 、 积等 局 限性 ， 难 满 足 这些 特 殊 的需 要 。 体 很
随着压电陶瓷等材料的发展 ， 超声波 电动机作 为一 种全新概念 的新型电机在 ２ 世纪 ８ ０ ０年代开始发展 起来 ， 它利 用压 电材 料 的逆 压 电效应 ， 在超 声频 率段
内使 定子 发生 振动 ， 在通过 定 、 转子 间的摩 擦获 得扭
定律实现机 电能量转换 和信号传递与转换 的装置。 传统电磁式 电机在理论 、 设计 、 制造方法以及控制技
超声波电动机
一、超声波电动机的结构和工作原理 二、超声波电动机的特点及应用
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
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
行波型超声波电动机接触模型的研究
行 波型超 声波 电动 机 的仿 真 模 型 ， 型 给 出 了 电机 模 定 子 和转 子 的接触 模型 ， 并分 析 了电机 的运行 情况 ， 以及行 波型超 声波 电动机 在不 同预压 力 的情况 下运 行 特性 和效 率 。在 国 内 ， 锦 波 Ｊ李 华 峰 等 人 刘 、 也 通过对 摩擦 接触 模型 的研究 建立 了 电机 的仿 真模 型 。但是 这些 模型 在建模 时都将 电机 的定 子等 效成
仿真模型求解 ， 给出了仿真结果 。
１行 波 型 超 声 波 电动 机 建 模
文 中假 设 ：１ （ ）一 般 来说 摩擦 材 料 的 刚度 远 远
低于金 属 材料 ， 这里 忽 略 定子 和转 子 间 摩 擦 接触 对 电机定 子振 动模 态 的影 响 ； ２ （ ）定 子 和 转 子不 会 产 生塑 性变 形 。
． ．
儆 持电棚 ２７－６ ０盎 期 ０１ 第
行 波 型超 声 波 电动 机 接触 模 型 的研 究
徐志科 ， 胡敏 强 ， 金 龙 ， 菊平 ， 顾 施一峰
（ 东南大学 ， 江苏南京 ２０ ９ ） １０６
摘
要： 以直径为 ６ ｍｍ行 波型超声波 电动机为例 ， ０ 通过对 电机定子 和转子接触模 型的研究 ， 得到 了一种 考虑
０引 言
超 声 波 电动 机 以其 优 越 的特 性 受 到广 泛关 注 ， 尤 其是行 波 型超声 波 电动机 ， 它具有 响应 速度 快 、 低 速 大转矩 、 输入 自锁 、 构 简单等优 点 。 无 结 Ｔ ．Ｍａｎ 人 最 早 利 用 有 限元 方 法 分 析 了行 ｅｏ等 波 型超 声波 电动 机 的接 触 情 况… ； 随后 Ｊ ．Ｍａｓ２、 ａ＿ ｊ
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法 的 特 点 ， 立 了一 套 行 之有 效 的行 渡 超 声 电动 机 分 析 方 法 并 成功 设 计 了 专 利 产 品 —— 均 压 型行 渡 超 声 电动 机 建
及 其 驱 动 控 制 器 。 谈 方 法 为 超 声 电 动 机 的驱 动 控 制 策 略 和 控 制 方 法 的 宴 觋 奠 定 了理 论 基 础 ． 样 机 设 计 提 供 了 实 为
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际 经 验 ， 我 国超 声 电 动 机产 业 化 及其 原材 料 的 国产 化 作 了有 效 探 索 对 关 键 词 ： 声 电动 机 ｛ 型 分 析 ； 超 模 等效 电路 法 Ｆ Ｅ Ｆ Ａ
中围分类号 ： ＴＭ３ ｛ ８
文献标识码 ； Ａ
文 章 编 号 ：０ １ ８８ ２０ ） ｌ ０ ０ ０ １０ —６ ４ （ ０２ Ｏ ０ ６ ５
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微 电机
２０ ０ ２年
第 ３ ５卷
第 ｔ （ 第 １４ ） 期 总 ２期
设计 与研 究 ・ ＳＧ ＆ Ｒ Ｓ Ａ Ｃ ＤＥ Ｉ Ｎ ＥＥ Ｒ Ｈ
超 声 电动 机 模 型 分 析 的 研 究
胡敏 强 顾 菊 平 ， 岳 平 金 龙 王 心 坚 徐 志 科 石 ， 莫 ， ， ， ，
１ 引 言
随 着 现 代 科 学 技 术 的 迅 速 发 展 ， 子 设 备 、 密 电 精 仪 器 、 学 系 统 以及 各 种 工 厂 、 公 自动 化 设 备 要 求 光 办 小 型 化 、 密 化 、 保 化 ， 儆 电 机 伺 服 控 制 系 统 提 精 环 对 出了越来 越 高 的 性能 指 标要 求 （ ： 速 大转 矩 、 如 低 陕 速 精 密 定 位 、 好 的 电 磁 兼 容 、 噪 声 甚 至 静 音 设 计 良 低 等） 传统驱 动控 制 系统 主要依 靠伺 服电机驱 动 ， 。 如 要 获 得 定 位 控 制 系 统 所 要 求 的 低 速 大 转 矩 ， 必 须 就 使 用 减 速 传 动 机 构 ， 不 仅 增 加 了 机 械 部 件 的 复 杂 这
（ ．东 南 大 学 ， 苏 １ 江 南京 ２０ ９ ２ 南 通工 学 院 ， 苏 １ ０ ６； 江 南通
斌
２６０） ２ ０ ７
摘
要 ： 对 超 声 电动 机 模 型 ， 一 砍 对 其 分 析 方 法 进 行 了 对 比分 析 ， 台 解 析 法 （ 量 法 ） 有 限元 法 和 等 效 电路 针 第 综 能 、