超声波电机.
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。
五种新型电机简介
五种新型电机简介姓名：赵涛学号：20121102491、超声波电机简介：原理：超声波电机就是利用超声波频率范围内的机械振动来获得动力源的装置，借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力。
超声波电机获得能量的超声波振动源又与压电陶瓷有着密切联系，当对压电陶瓷施加交变电压时，压电陶瓷本身或压电陶瓷和金属的混合体就会产生周期性地伸缩，即逆压电效应，通过这种伸缩，电机产生了动力。
人耳所能听到的的声音频率约为20Hz-20KHZ，而当频率超过20KHz以上，人耳便无法辨识，成为超声波。
对超声波电机的压电材料输入电压所产生的是晶体的形变，因此利用压电材料来带动转子，其前进的距离相当小，约是微米等级，因此若要此电机做长距离运动，就必须输入超声波的高频电压，使定子产生极高的振动频率才能得到合适的转速，这也正是超声波电机的由来。
特点: 1、超声波电机弹性振动体的振动速度和依靠摩擦传递能量的方式决定了它是一种低速电机，同时其能量密度是电磁电机的5到10倍左右，使得它不需要减速机构就能低速时获得大转矩，可直接带动执行机构。
2、超声波电机的构成不需要线圈与磁铁，本身不产生电磁波，所以外部磁场对其影响较小。
3、超声波电机断电时，定子与转子之间的静摩擦力使电机具有较大的静态保持力矩，从而实现自锁，省去了制动闸，简化了定位控制，其动态响应时间也较短。
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。
应用:1、超声波电机可用于照相机的自动聚焦系统的驱动器；航空航天领域的自动驾驶仪伺服驱动器；机器人或微型器械自动控制系统的驱动器；高级轿车门窗和座椅靠头调节的驱动装置；窗帘或百叶窗自动启闭装置；2、医学领域的人造心脏驱动器、人工关节驱动器；强磁场环境下设备的驱动装置，如磁悬浮列车的控制系统；不希望驱动装置产生磁场的场合，如磁通门的自动测试转台等。
2、 无刷直流电动机 ：原理：无刷永磁电动机伺服系统主要由4个部分组成：永磁同步电动机MS 、转子位置检测器BQ 、逆变器和控制器。
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
超声电机原理
超声电机原理
超声电机是一种利用超声波产生的机械振动来实现运动的电机。
它具有体积小、效率高、响应速度快、噪音小等优点，因此在各种
领域得到了广泛的应用。
超声电机的工作原理主要包括超声波的产生、传播和转换成机械振动三个方面。
首先，超声电机的工作原理涉及到超声波的产生。
超声波是指
频率高于20kHz的声波，它可以通过压电效应或磁致伸缩效应来产生。
在超声电机中，常用的是压电效应。
当施加电压到压电陶瓷上时，会产生压电效应，使其产生机械振动，从而产生超声波。
这种
超声波具有高频率、短波长的特点，可以实现精细的机械控制。
其次，超声电机的工作原理还涉及到超声波的传播。
超声波在
传播过程中会受到介质的影响，不同介质对超声波的传播速度和衰
减程度都有影响。
因此，在超声电机中需要考虑介质的选择以及超
声波的传播路径，以确保超声波能够准确地传播到需要的位置。
最后，超声电机的工作原理还包括超声波的转换成机械振动。
当超声波传播到需要的位置时，可以通过压电陶瓷或磁致伸缩材料
将超声波转换成机械振动。
这种机械振动可以驱动机械装置实现运
动，如旋转、线性运动等。
由于超声波具有高频率和短波长的特点，因此可以实现微小的机械振动，从而实现精密的位置控制。
总的来说，超声电机的工作原理是通过产生、传播和转换超声
波来实现机械振动，从而实现运动控制。
它具有许多优点，如体积小、效率高、响应速度快、噪音小等，因此在精密仪器、医疗设备、光学设备等领域得到了广泛的应用。
随着科技的不断发展，相信超
声电机在未来会有更广阔的应用前景。
第09章讲义超声波电动机
第九章 超声波电动机
环形行波型超声波电动机的基本结构如图9-1所示， 主要包括定子、转子、压力弹簧和转轴等部件。
] ]
转子
转动环
摩擦材料
定子
弹性体
压电陶瓷
压力弹簧
机壳
转轴
轴承
E1 E2
定子
转子
(a)
(b)
图9-1 环形行波型超声波电动机的基本结构
(a) 剖面图 (b) 立体图（局部）
-5-
第九章 超声波电动机
超声波电动机就是利用逆压电效应进行工作的，图92进一步说明了逆压电效应的作用。 当外电场的交变频 率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械 谐振状态，成为压电振子。 当振动频率在20kHz以上时， 就属于超声振动。
图9-2 逆压电效应示意图
-8-
第九章 超声波电动机
二、椭圆运动及其作用 超声振动是超声波电动
-3-
第九章 超声波电动机
第一节 超声波电动机的基本结构
超声波电动机的分类还没有统一的标准，按照驱动转 子运动的机理可分为驻波型和行波型两种。驻波型是利 用与压电材料相连的弹性体内激发的驻波来推动转子运 动，属间断驱动方式；行波型则是在弹性体内产生单向 的行波，利用行波表面质点的振动轨迹来传递能量，属 连续驱动方式。目前，环形行波型超声波电动机的基础 理论和应用技术均较为成熟。
图9-5 驻波形成示意图
x
-14-
第九章 超声波电动机 其数学表达式为
ysin2πxsin0t
（9-3）
设在弹性体上同时存在两相驻波A和B，它们的频率
同为ω0，波幅同为ζ，波长同为λ，并且在时间和空间上
均相差π/2，即
yA yB
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。
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。 目前，超声波电机主要应用在不需要连续工作的场合， 比如照相机的聚焦系统，其累计寿命只需要十多个小 时；汽车门窗开关和座椅头靠调整装置，累计工作时 间需要伍百小时。但在许多应用场合中，这样的工作 寿命满足不了实际的需要，因此研究新型摩擦材料和 压电材料显得尤为重要。为此，世界各国都在研制性 能更优越的摩擦材料，以提高超声波电机的使用寿命。
超声波电动机简介
按照驱动转子运动的机理可分为驻波型和行波
型两种。驻波型是利用与压电材料相连的弹性
体内激发的驻波来推动转子运动，属间断驱动
方式；行波型则是在弹性体内产生单向的行波，
利用行波表面质点的振动轨迹来传递能量，属
连续驱动方式。
4
A相
+
-
S
+
+
-
B相
超声波电动机简介
Байду номын сангаасE1
+
+
+
+
GND
3 4
超声波电动机简介
压力弹簧 转动环 摩擦材料 弹性体 压电陶瓷
] ]
转子
定子
机壳 轴承 转轴
图13-32 超声波电动机的基本结构
超声波电动机简介
超声波电机是一种全新概念的微特电 机，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。 由于超声波电机具有传统磁式电机无 法比拟的优点，因而发展迅速，应用日益 广泛。
工作原理
压力弹簧 转动环 摩擦材料 弹性体 压电陶瓷
2
+
E2
图13-33 压电陶瓷环的电极配置
] ]
转子
定子
机壳 轴承 转轴
图13-32 超声波电动机的基本结构
超声波电动机简介
由于超声波电机的驱动机理不同于传统 的电磁式电机，因而具有磁式电机所不 具有的一些特点，主要有：
超声波电动机简介
1. 超声波电机弹性振动体的振动速度和 依靠摩擦传递能量的方式决定了它是一种低速 电机，同时其能量密度是电磁电机的5到10倍 左右，使得它不需要减速机构就能低速时获得 大转矩，可直接带动执行机构。 由于电机系统省去的减速机构，这不仅减 小了体积、重量，而且提高了系统的控制精度 和响应速度。
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。
超声波电动机简介
2. 电磁式电机在外界强磁场的影响下不 能正常工作，它所产生的磁场也会影响周围某 些对磁敏感设备的正常运行。超声波电机的构 成不需要线圈与磁铁，本身不产生电磁波，所 以外部磁场对其影响较小。
超声波电动机简介
3. 超声波电机断电时，定子与转子之间 的静摩擦力使电机具有较大的静态保持力矩， 从而实现自锁，省去了制动闸，简化了定位控 制，其动态响应时间也较短。
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
超声波电机应用于微 位移驱动装置，即微 位移超声波电机，此 电机适用于微小位移 运动，能以纳米级位 移驱动。可用于电子 显微镜或者扫描隧道 显微镜，以及用来做 光栅衍射刻线、干涉 光谱仪扫描、天体星 座图象分析和检测、 高精度位移检测及分 子测量设备中，如下 图所示。
超声波电动机的简介
超声波电动机的简介
超声波电机在精密定 位装置和随动系统中 也有广泛应用。如坐 标平台的驱动源是在 超声波电机在精密定 位装置中的应用，如 图所示。 由于超声波电机相应 快，当位置传感器检 测到目标位置信号瞬 间，切断电源，电机 立即停止，定位精度 准确，只需用开环控 制即可实现较高精度 的定位。
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。
超声波电动机的简介
超声波电动机的发展趋势
超声波电动机的简介
超声波电机存在的问题
控制困难 : 由于压电材料的特殊性、摩擦发热和环境 变化等问题，驱动转子的摩擦力将产生严重的非线性 变化。这种变化使控制电机匀速转动的难度大大增加。 此外，由于压电材料的特殊性，使得每一台超声波电 动机所需要的驱动电源都不相同，这样，电机和电源 必须一一配套，不利于大规模生产。 寿命较短 : 超声波电机的寿命大约 2000 小时，与传统 电机相比，长时间工作的耐久性不尽人意。 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。
由于超声波电机运行噪声很低，因此适合于办 公场所、医院、宾馆、剧院、图书馆等对噪声 低有特别要求的场合，如某些地方将超声波电 机作为窗子上的窗帘机的驱动元件。 超声波电机在核磁共振装置中的应用。由于电 机对外界磁场不敏感，在有磁场干扰时仍能正 常工作，非常适合作为核磁共振装置中某些设 备的驱动源。如西门子旭医疗器械公司把三个 超声波电机用在核磁共振装置的线圈调整装置 上，用来微调附属于线圈上的调整用电容器容 量。
超声波电动机的简介
日本佳能公司从1982年起开始研究将 超声波电机应用到照相机的镜头调焦 中，至1987年，成功地将超声波电机 应用到EOS系列照相机的镜头中，下 图所示为使用了环形超声波电机的相 机。 与采用电磁型电机的镜头相比，使用 超声波电机的镜头有静音、定位精度 高、调焦时间短、无齿轮减速机构等 特点，性能较为优良。