特种电机原理及应用第6章 超声波电动机
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。
超声波电动机.pptx
yA yB
sin cos
2π
2π
x x
sin 0t c os 0 t
（9-4）
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第九章 超声波电动机
其合成为
y( x, t )
yA
yB
cos( 2π
x
0t)
（9-5）
这是一个频率为ω0、波幅为ζ、波长为λ的行波。
-13-
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第九章 超声波电动机
在环形行波型超声波电动机中，定子上的压电陶瓷环 是行波形成的核心，它的电极配置如图9-6所示。
可见，在行波传播速度v为恒值的情况下， 改变激振 电压的频率f0可以快速改变转速，但存在一定的非线性。 而改变激振电压的大小，即改变行波的振幅ζ，也可以
改变转速。如果忽略压电体逆压电效应的非线性，则转 速可以随激振电压作线性变化，这是超声波电动机变压 调速的特点。
-21-
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第九章 超声波电动机
h y(x,t) 2 x
πh
sin( 2π
x 0t)
（9-7）
-16-
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第九章 超声波电动机 由以上两式，得
ux2 (x,t) uy2 (x,t) 1
(πh / )2 2
（9-8）
由此可见，弹性体表面上任意一点的运动轨迹为椭圆 形，这种椭圆运动使得弹性体表面质点对转子产生连续 的定向拨动作用， 且转子的运动方向与行波方向相反， 如图9-7所示。 显然，如果改变激振电源的电压极性， 便可以改变转子的运动方向。
vr
vxmax
πh0
（9-10）
-19-
负号表示转子的运动方向与行波方向相反
什么叫超声波电动机
什么叫超声波电动机？2009年10月14日超声波电动机是20世纪末发展起来的一种新的微型驱动电机，它的基本结构及工作原理与传统电机完全不同，没有绕组和磁路，不以电磁相互作用来传递能量，而是基于压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应)，利用超声波振动来实现机电能量转换。
由于这种新型电机的工作频率一般在20kHz以上，因此称为超声波电机。
超声波电机打破了传统电机必须由电磁效应产生转矩和转速的固有概念。
与电磁式电机相比．超声波电机具有以下特点：(1)体积小，重量轻。
超声波电机不用线圈，没有绕组和磁路，结构简单、紧凑，与电磁式电机相比，在输出转矩相同的情况下，可以做得更小、更轻、更薄。
超声波电机的转矩密度一般为电磁式电机的几倍到十几倍。
(2)低速大转矩。
超声波电机的最大优点在于它能以极低的速度运行．很容易做到每分钟几十转(甚至更低)，并且能保持大转矩的输出。
这样就无需齿轮减速机构，可实现对较大负载的直接驱动。
(3)响应迅速，控制特性好。
超声波电机转子的质量较轻，惯性小，响应速度快，起动和制动的时间均为毫秒级，因此可以实现高精度的速度控制和位置控制。
(4)有断电自锁功能。
由于超声波电动机是依靠定、转子间的摩擦力驱动的，因此定、转子间必须施加一定的轴向压力，以便将压电振子的振动转换为转子的旋转。
这样当切断电源时·由于静摩擦力的作用，转子便可自锁。
(5)与外界无相互电磁干扰。
超声波电机无需励磁．因此它不受外界电磁场的影响。
同时，它对外界也不会产生电磁干扰，特别适合于强磁场的工作环境。
(6)结构形式多样化。
由于超声波电机是将压电振子的机械能通过定、转子之间的摩擦传递给转子，转子可以做旋转运动，也可以做直线运动(这时应称为动子)．因此转子运动的自由度较大，其结构设计的自由度也较大，可适应不同应用场合的需要。
超声波电动机是典型的机电一体化产品，它涉及电机学、振动学、摩擦学、功能材料、电子技术、自动控制技术和检测技术多门学科，虽然它的发明和发展仅有二十多年的历史，但在航空航天、机器人、精密仪器、医疗设备等诸多领域已得到很好的应用，目前仍是国内外研究和开发的热点。
超声波电机的原理与应用
超声波电机的原理与应用周传运 超声波电机(Ultrasonic Motor ,USM )是国外近20年发展起来的一种新型电机。
事实上,在超声波电机问世之前,已有以压电效应驱动的电机,但其频率并不局限于超声波范围。
早在1948年,威廉和布朗就申请了“压电马达”的美国专利;1964年,前苏联基辅理工学院设计了第一个压电旋转电机;1970～1972年,西门子公司和松下公司发明了压电步进电机,不过因无法达到较大的输出转矩而没能实际应用。
1980年,日本的指田年生研制成超声波压电电动机(即现代意义上的超声波电动机),克服了传统压电电动机转换效率低和变位微小的缺陷,使压电电动机进入工业实用阶段。
一、超声波电机的原理和结构超声波电机的原理 超声波电机利用压电材料的逆压电效应①产生超声波振动,把电能转换为弹性体的超声波振动,并把这种振动通过摩擦传动的方式驱使运动体回转或直线运动。
磁极和绕组,它一般由振动体②和移动体③组成,为了减少振动体和移动体之间相对运动产生的磨损,通常在二者间加一层摩擦材料。
当在振动体的压电陶瓷(PZT )上施加20KHz 以上超声波频率的交流电压时,赫的超声波振动,使振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率的微观振动(振幅一般为数微米),如椭圆、李萨如轨迹等,该微观振动通过振动体和移动体之间的摩擦作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。
因此,超声波电机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。
根据这一思想,日、德等国近几年相继研发出多种超声波电机,如环形行波USM 、步进USM 、多自由度USM 等,且行波型USM 已有较成熟的设计。
下面以行波型USM 的旋转说明其工作原理。
行波型USM 要旋转,需具备两个条件:与转子相接触的定子表面质点须做椭圆运动,定子、转子之间的接触面须有摩擦力。
图1中的弹性体为定子,其上部为转子,定子、转子间夹一层摩擦材料。
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
特种电机原理及应用
特种电机原理及应用
同学们，今天咱们来聊聊特种电机，了解一下它的原理和应用。
啥是特种电机呢？特种电机就是和咱们平常常见的那种普通电机不太一样的电机。
先来说说它的原理。
特种电机的种类可多啦，不同种类的原理也不太一样。
比如说，步进电机，它是通过给电机不同的脉冲信号，来控制电机转动的角度和速度。
就好像是你一步一步地指挥它该怎么走，走多快。
再比如，直线电机，它能直接把电能转化为直线运动的机械能，不像普通电机还得通过一些传动装置来实现直线运动。
还有无刷直流电机，它没有电刷，减少了摩擦和损耗，通过电子换向器来控制电流方向，让电机更高效地运转。
那特种电机都用在啥地方呢？这应用可广泛啦！
在医疗器械领域，像那种高精度的医疗设备，比如微创手术里用的器械，就需要特种电机来提供精准的控制和动力。
在航空航天领域，卫星的姿态调整、飞行器的各种动作控制，也离不开特种电机。
再比如说，在机器人领域，机器人的关节活动、手部的精细操作，都得靠特种电机来实现。
给大家举个例子，在一些自动化生产线上，需要把零件准确快速地移动到指定位置，这时候就会用到直线电机，因为它能直接提供直线的动力，速度快，精度高。
还有，在一些智能安防设备中，比如可以自动旋转的摄像头，就可能用到步进电机，能精确地控制摄像头的转动角度。
特种电机之所以叫“特种”，就是因为它们有着特殊的性能和功能，能满足一些普通电机做不到的需求。
但是，特种电机的设计和制造通常也更复杂，成本也比较高。
同学们，虽然特种电机的原理和应用可能有点难理解，但只要咱们多学习，多观察生活中的各种设备，就能更好地明白它们的重要性啦。
超声电机的工作原理分析
• 按照超声电机利用的波型的差异可以将超 声电机分为行波型、驻波型等。仅用单相 输入信号的驻波型旋转超声电机，具有驱 动和控制电路简单，尺寸小等突出优点。
• 该种超声电机的原型样机最先由日本的等 人研制成功，他们对这种电机的运动机理 的定性解释为：由单相信号激励出的驻波 模态可以分解为两个同频率、空间相差 90°的模态，其中一个模态使齿做垂直振 动，另一个模态使齿产生水平方向的振动。
Hale Waihona Puke • 这样，齿在将转子顶起的同时拨动转子转 动。但他们并没有做任何的数学推导。本 文将从振动分析角度，通过假定单相激励 下驻波型旋转超声电机的工作模态的方法， 得到了定子上齿的运动方程，由此阐明了 单相驻波型旋转超声电机的运动机理。
• 单相驻波型旋转超声电机定子上齿的运动 特性本文叙述的单相驻波型旋转超声电机 的结构如。定子上的齿是这种电机结构设 计中必不可少的一部分，用来产生驱动力。 因此，研究齿的运动特性可以使我们对这 种电机的工作原理有更深入的了解。
超声电机保 护器
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超声电机的工作原理分析
• 超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效 应，使定子产生超声波振动，并通过定、 转子间的摩擦界面驱动转子的新型电机。 与传统的电磁电机相比它具有惯性小、响 应快、控制特性好、不受磁场影响、断电 自锁、低速大扭矩、无齿轮箱等特性。
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。
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4）美国IBM 公司的Barth 也在1973 年提出了一种超声波电动机的模型，从 而使这种新型电机可以实现真正意义上的工作。
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2. 实用化阶段(20世纪70年代末——80年代末)
1978年，前苏联的Vasiliev成功地构造了一种能够驱动较大负载的压 电超声波电动机，这种电机使用由位于两个金属块之间的压电元件所组成 的超声换能器，将该换能器激起与转子接触的振动片纵向振动，通过振动 片与转子间的摩擦来驱动转子转动。这种结构的优点在于不仅能降低共振 频率，而且能放大振幅，遗憾的是，这种电机在运转时由于温度的升高、 摩擦及磨损等原因，很难保持振动片的恒幅振动。
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。
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当对粘接在金属弹性体上 的两片压电陶瓷施加相位 差 为 90 电 角 度 的 高 频 电 压时，在弹性体内产生两 组驻波，这两组驻波合成 一个沿定子弹性体圆周方 向行进的行波，使得定子 表面的质点形成一定运动 轨迹(通常为椭圆轨迹)的 超声波微观振动，其振幅 一般为数微米，这种微观 振动通过定子(振动体)和 转子(移动体)之间的摩擦 作用使转子(移动体)沿某 一方向(逆行波传播方向) 做连续宏观运动。
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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。
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1987年，行波超声波电动机终于达到了商业应用水平。此后许多超声 波电动机新产品不断地研制出来并推向市场。到20世纪80年代中期日本已 形成三个系列的超声波电动机：即日立马克赛尔公司的驻波扭转耦合器系 列、松下电器公司的行波系列和新生公司的弯曲波模态系列。除日本外， Electro Mechanical Systems 公司也推出了英国第一个商用超声波电动 机系列产品——USR30。
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日本的T. Sashida在Vasiliev的研究基础上，于1980年提出并成功地 制造了一种驻波型超声波电动机。该电机使用Langevin激振器，驱动频率 为27.8 kHz，电输入功率为90W，机械输出功率为50W，输出扭矩为0.25Nm， 首次达到了能够满足实际应用的要求，但由于振动片与转子的接触是固定 在一个位置上，仍存在着接触表面上摩擦和磨损等问题。
超声波电动机
Ultrasonic Motor
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1 超声波电机的基本原理
超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称USM)
是近年来发展起来的一种全新概念的驱动装置，它 利用压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应)，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，故称为超声波电动 机。
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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。
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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。
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1982年，Sashida又提出并制造了另一台超声波电动机——行波型超 声波电动机，从原来的由驻波定点、定期推动转子变换成由行波连续不断 地推动转子，大大地降低了定子与转子接触面上的摩擦和磨损。这种电机 能够运转的实质就是定子表面的质点形成了椭圆运动。之后，在日本掀起 了利用各种振动模态的研究热潮，如利用纵向、弯曲、扭转等振动来获得 椭圆运动。这种电机的研究成功，为超声波电动机走向实用阶段奠定了基 础。
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2 超声波电机的发展
超声波电动机的发展大体可分为以下三个阶段：
1. 探索阶段(1948年——20世纪70年代末) USM 原型出现
2. 实用化阶段(20世纪70年代末——80年代末) 商用USM 产品出现
3. 深层次研究(20世纪90年代——) 机理、材料、结构、驱动控制、应用 多样化
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1.1 超声波电机的结构
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超声波电动机由定子(振动体)和转子(移动体)两部分组成
但电机中既没有线圈也没有永磁体，其定子由弹性体 (Elastic body)和压电陶瓷(Piezoelectric ceramic)构成