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。
这两个模态响应在定子上叠加形成行波。
如果此时在转子上施加一定得预压力，通过定，转子之间的摩擦作用，定子裘面质点的微幅振动就台转换为转子的旋转运动。
图3 超声电机工作原理
四、总结
微型圆筒型超声电机外型结构简单、紧凑，成本较低。
但此电机本身存在激振频率偏高的缺陷．对此带来的电机效率及驱动电路的影响也是下一步要考虑的问题。
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。
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
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。
超声波电机工艺流程
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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%。
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。