行波型旋转超声电机的低温特性
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。
机械毕业设计782行波型超声波电机毕业设计说明书
目录第1章绪论 (3)1.1 超声波电机的定义与发展历史 (3)1.2 超声波电机的基本工作原理 (4)1.3 超声波电机的分类 (5)1.4 超声波电机的特点和应用 (6)1.5 超声波电机技术的展望 (6)第2章行波型超声波电机的运行机理 (8)2.1 椭圆运动的分析 (8)2.2 驻波的产生及行波的合成 (10)第3章行波型超声波电机的理论计算与设计 (13)3.1 定子谐振频率的计算 (13)3.2 压电陶瓷换能器的设计和制作 (16)3.2.1 压电陶瓷的设计 (16)3.2.2 压电陶瓷材料的选用 (17)3.2.3 压电陶瓷的接线方式 (17)3.3 定子的设计及制作 (19)3.3.1 定子尺寸与行波超声波电机输出特性的关系 (19)3.3.2 定子的内外径尺寸的选择 (21)3.3.3 定子的振动模态的选择 (21)3.3.4 定子的齿形齿数设计 (21)3.3.5 定子的结构设计 (22)3.3.7定子材料的选择 (23)3.4 转子的设计及制作 (24)3.4.1 超声波电机转子的柔性要求 (24)3.4.2 定转子径向弯曲配合 (25)3.4. 摩擦层的设计 (26)3.5 定转子设计的总结 (26)第4章样机整体结构设计 (27)第5章全文总结 (29)参考文献 (30)致谢 (31)附录 (32)英文翻译译文 (32)行波型超声波电机设计摘要：超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应工作的新概念、新原理电机。
与传统电磁型电机截然不同，其驱动力矩并非由电磁感应产生，它利用压电陶瓷的压电效应使定子产生超声波振动，通过定子和转子间的摩擦力来驱动转子。
由于超声波电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如结构紧凑、低速大转矩、响应速度快、不受磁场影响、断电自锁、可直接驱动负载等。
正是由于超声波电机具有许多的优点和广阔的应用前景，成为当前世界范围内的一门新兴前沿课题。
控制电机与特种电机课后答案第11章
控制电机与特种电机课后答案第11章思考题与习题1.比较超声波电动机与传统的电磁式电机。
2.简述行波型超声波电动机的工作原理。
3.行波型超声波电动机的调速方法有几种,各有什么特点。
答案1.比较超声波电动机与传统的电磁式电机。
超声波电机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。
超声波电机与传统的利用电磁效应工作的电机相比,具有体积小、重量轻、速度慢、转矩大、响应速度快、控制精度高、运行无噪声、静态(断电时)有保持力矩、不受磁场干扰、也不对周围环境产生磁干扰等优点。
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，如表1所示。
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。
(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。
高低温环境下超声电机伺服控制系统的性能
制 部 分 的影 响 ， 建 了基 于 ＭＳ ４ ０单 片 机 的 伺 服 控 制 系 统 ， 过 Ｒ ２ ２实 现Ｐ 与 控 制 器 以 及 控 制 器与 ＵＭＤ ３型 搭 Ｐ３ 通 Ｓ３ Ｃ 一 驱 动 器 之 间 的通 讯 ， 系 统 采 用 比例 和 步 进 逼 近 的 控 制 方 法 实现 精 确 的速 度 和 位 置 控 制 。以整 个 系 统 为研 究 对 象 ， 该 完成 了 一４ ～ ７ 。 温度 环 境 下 的试 验 。结 果 表 明 ： ０ ０Ｃ 随着 温 度 升 高 ， 电机 空 载 时 ， 统所 能达 到 的 最大 速度 先 升后 在 系 降， 峰值 出现 在 ±１。 之 间 ， 测 得 的 最 大 值 相 比 ，０ｃ和 一 ４。 时 的最 大 速 度 分 别 下 降 了４ ． 和 １ ． ％。 ＯＣ 与 ７。 Ｏｃ ３２ ２６ 系统
电机在极端环境下 的特性进行 了较 为深 入的研究 。 在 超声 电机 的控 制方 面 ， ｒａ Ｂ ｋｒｇｕ７ Ｃ ｉ— ｎ Ｅ ｄ ｌ ｅ ｉ ｌｌ ， ｈｈＭｉ ｏ ＿ Ｊ
Ｌｎ。 ｉＥ 和贺红林 等进行 了各 种控制算 法在ｊ 电机 迢声
．
其 中 ： 温度系 数 ， 为 分别 取 ＋１ 一 １ 或 。 根 据 以上 各式 及 试验 数 据 ， 以得 知极 端 温度 可
王 金 鹏 时运 来 薛 雯 玉 叶 明 ， 赵 淳 生 ， ， ，
（南 京 航 空 航 天 大 学 精 密 驱 动 研 究 所 （南京航空航天大学信息科学与技术学院 。 摘要 南 京 ，１０ ６ ２０１） 南 京 ， １０ ６ ２０１）
为 改 善 旋 转 行 波 型 超声 电机 （ Ｒ Ｔ ｕＭ） 极 端 温 度 下 的输 出性 能 ， 析 了 高低 温 环 境 对 超 声 电 机 及 其 驱 动 控 在 分
行波型超声波电机及其速度控制特性的研究[1]
![行波型超声波电机及其速度控制特性的研究[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/a670ea0ee87101f69e31953b.png)
图 6 占空比与速度的关系曲线
2. 1. 4 电压方式调速 通过电压调速是一种间接的调速方法, 速度的
(H a rb in In st itu te of T echno logy, H a rb in 150001)
【摘 要】 超声波电机是一种新型摩擦驱动器。 由于 它是利用压电陶瓷的逆压电效应形成的弹性波作为激励 源, 所以, 该电机同传统的电磁式电机相比, 具有小型轻量、 无电磁干扰、响应速度快等特点, 是微机械、医疗器械、航天 航空等领域中理想的驱动器。 本文阐述了行波型超声波电 机的工作原理, 并研制出直径 40mm 的旋转式行波超声波 电机的实验样机, 作者分析了该样机的速度控制特性, 提出 PWM 是行波超声波电机理想的控制方式。
会志. 1988, 44 (1) : 40～ 46.
4 平田拓, 上羽贞行. 进行波型超音波 - の特性计算法. 信学
技报, U S92- 77. 1992: 53～ 58.
5 Y. Izuno, M. N akaoka. N ew Fuzzy R eason ing - Based H igh -
参考文献
1 则次俊郎. 进行波超音波 - を用いた小型 ×
-
の 制御性能. 日本机械学会论文集 (C 篇). 1995, 61 (581) : 124
- 130.
2 贾林实, 上羽贞行. 超音波
- の进行波励振方法の
检讨. 信学技报, U S84- 22. 1984: 23～ 30.
旋转型行波超声电机寿命试验研究
第３卷第１ ０ 期
２ ８ ２月 ００ 年
压
电
与
声
光
Ｖｏ ． Ｏ Ｎｏ １ １３ ． Ｆｅ ．２ ０ ｂ ０８
Ｐ Ｅ ＯＥＬ ＩＺ ＥＣＴＥ ＣＴＲＩ ＆ ＡＣ０ＵＳ ＣＳ Ｔ０ＯＰＴＩ ＣＳ
文 章 编 号 ：０ ４２ ７ （ ０ ８ ０ — ０ ０ ０ １ ０ — ４ ４ ２ ０ ） １０ ９ —３
关键词 ： 声电机 ； 劳试验 ； 超 疲 曲线 拟 合 ； 工作 阶段
中图 分 类 号 ： Ｍ３ ６ Ｔ ５ 文献 标 识 码 ： Ａ
Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ａ ｔ ｄ ｎ Ｌｉｅ ｏ ａ ｅ ｉ ｇ Ｗ ａ ｅ Ｒｏ ａ ｙ Ｕｌｒ ｓ ｎ ｃ Ｍ ｏ ｏ ｓ ｐ ｒ ｍ ｎｔ ｌＳ ｕ ｙ ｏ ｆ ｆ Ｔｒ ｖ ｌｎ ｖ ｔ ｒ ｔ ａ ｏ ｉ ｔ ｒ
ｕ ｉｇ ｔ ｉｅｏｆｔ ａ ｅｉ ｇ ｗ ａ ｅ ｒ ｔ ｒ ｌｒ ｓ ｉ ｏ ｏｒ ｎｄ ｔ ｘｐ ｒｍ ｅ ｔ ｌｐ ｏｃ ｄｕｒ ｓｐｅ ｆ ｒ ｅ Ｔｈｅｒ ａ ｉｎａ ｒｎ ｈｅｌｆ ｒ ｖ ｌｎ ｖ ｏ ａ ｙ ｕ ｔ ａ ｏｎ ｃｍ ｔ ｓａ ｈｅｅ ｅ ｉ ｎ ａ ｒ ｅ ｅｉ ｒｏ ｍ ｄ． ｏｔ ｔｏ ｌ
ｓ ｔ ｒ ｌ ｕ ｎ ｐｒ ｄｕ ｉ ｈ ｔ ａ ｏｎｉ ｏｔ ｒ ｏ ｍ ｅ ｃ ａｌ ｎ ｔ ｕ ｕｒ ． ｕｉｓａ ｅ ｈｅｐｆ ｌｉ ｏ ｃｎｇ ｔ ｅ ｕｌｒ ｓ ｃｍ ｏ ｓｃ ｍ ｒ ｉ ｌｙ ｉ ｈｅ ｆ ｔ ｅ
Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ｔａ ｏ ｉ ｍｏ ｏ ｓ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｆｌ ｅ ｏ ｙ ｏ ａ ｉ ；ｗｏ ｋ ｎ ｈ ｓ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ； ｌｒ ｓ ｎ ｃ ｔ ｒ ；ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌ ｉ ；ｐ ｌ ｎ ｍｉｌ ｔ ｏ ｆ ｆ ｒ ｉ ｇ ｐ ａ ｅ
旋转型行波超声电机网络的性能测试和仿真
０ 引言
超 声 电 机 技 术 是 综 合 了振 动 学 、摩 擦 学 、 电
力 电子 、 自动控 制 和 新材 料 等 众 多学 科 的新 技 术 。
向速度 决定 ，并且 和行 波的传 播方 向相反 。
其 实 质 是 压 电 陶瓷 的逆 压 电 效 应 产 生 定 子激 振 ， 某 频 率 处 产 生 高 频 的微 幅振 动 ，再 通 过 摩 在 擦 将 定子 的微 幅振 动 转 换 成转 子 的 回转 。这 里 定 子 为 一 圆环 形 板 ，其 顶端 质 点 为三 维 的运 动 轨迹 ，
能优 越和发展 迅速 。旋 转型适合在 医疗 、航 空航天等精 密领域中使 用。本文介绍 了超声 电机 的 工作 原理和分 类等 ，着 重分析 了不 同温度下对 电机工作 频率 、机械 特性和摩擦材 料等的变 化 情况 。旋 转型行波超声电机 的性能随温度的升高呈下降趋势。 关键词 ： 超声 电机 ；旋转 型 ；共振 频率 ；机 械特 性
超 声 电 机 由于 其优 越 的 性 能 ，而 受到 广 泛 的关 注 。
超 声 电机 是将 电能 转 换 成机 械 能 ，利 用 压 电 陶瓷
的逆 压 电 效 应获 取 运 动 和 力矩 ，将 材 料 通 过 机 械
共 振 和 摩 擦转 换 成 转 子 的运 动 。 超 声 电机 具 有 结 构 简单 、噪 声 小 、不 受 磁 场 干 扰 、效 率 高 和 控 制 性 能好 等 特点 ，发展 非常 迅速 ，前 景 十分 广 阔 ， 未 来 会用 在 医疗 系统 和安全 系统甚 至一 些特 殊领 域 。 行 波 超 声 电机 由正 交 的 两 组 驻 波 合 成 ，其 中 定 子 质 点 做 椭 圆形 的运 动 。超 声 电机 可 以分 为 直
行波型超声波电动机的机理分析
第４ （ＰＳＮＰ ＯＥ ＣＩ Ａ Ｉ） Ｅ ＬＩ ～ Ｏ ＥＲ ＣＮ Ｘ ＯＯ Ｒ ＦＬＴＣ ＨＥ Ｍ
防 机 爆电
行波 型 超 声 波 电动 机 的机 理 分析
龙
摘
军
阎治 安
西安 交通 大 学， 陕西 西安 （ １ ０ ９ ７ ０４ ）
的驱动 元件 ， 并在理论上分析 了电机 中旋转 行波 的产 生过程 。 关键词 行波 超声波 电动机
中图分 类号 Ｔ ０ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０ ７ ８ （０７ ０ Ｍ３ １ ０ ８— ２ １ ２０ ）６—００ ０ ０ １— ４
Ｐｒ ｎ ｉ ｅ Ａｎａ ｙ ｉ ｏ ｔ ａ ｏ ｃ Ｔｒ ｖ ｌ ａ ｅ Ｍ ｏ ｏ ｉ ｃｐｌ ｌ ｓｓ ｆ ｒ Ｕｌｒ ｓ ｎｉ ａ ｅｉ Ｗ ｖ ｎｇ ｔｒ
以上的频率 ， 即每秒钟要产生 ２ 万次以上的振动 ，
收稿 日 ： ０ ４ ， ． 期 ２ ７３ １ ０ ９ １ 龙 军 男
Ｌ ｎ ｕ ｎ ａ ｈ ’ ｎ ｏ ｇＪ ｎａ ｄ Ｙ ｎＺ ｉ ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｕｌｒ ｓ ｎ ｃ ｔａ ｅｉ ｇ ｗａ ｅ ｍｏ ｏ ，ａ ｐ ｃ ａ ｒｖ ｏ ｒ ｅ，ｉ ｅ ｔｐｅ ｓｒ ｃ ｔａ ｏ ｉ ｒ ｖ ｌｎ ｖ ｔｒ ｓ ａ ｓ ｅ ｉｌｄ ｅ ｓ ｕ ｃ ｉ ｓａ ｎ ｗ ｙ ｏ ｔｒｗｈ ｃ ａ ｅ ｅｏ ｄ ｒ ｐ ｄ ｙ ｉ ｅ ｅ ｔｙ ａｓ ｆｍｏｏ ｉｈ ｈ ｓ ｄ ｖ ｌｐｅ ａ ｉ ｌ ｎ ｒ ｃ ｎ ｅ ｒ ．Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｆｎ ｓ ｅ ａ ｌ ｓ ｄ ｏ ｈ ｉｈ ｄ ｓ ｍｐ ｅ，ｔ ｉ ｉ ｈｓ ｐａ ｅ ｎｒ ｄ ｃ ｓ ｔ ｅ ｂａ ｉ ｕ ｃ ｉｎ ａ ｄ ｔｕ ｔ ｒ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉｓ ｏ ｔ ｎ ｎ ｙ ｅ ｅ ｐ ｒｉ ｔｏ ｕ ｅ ｈ ｓｃ ｆ ｎ ｔ ｎ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｈ ｒ ｃｅ ｔ ｆ ｉ，ａ ｄ ａ ａ ｓ ｓ ｔ ｏ ｉ ｃ ｌ ｈ ｐ ｏ ｅ ｔ ｆｔ ｅ ｐ ｅ ｏ ｌ ｃｒｃ ｃ ｒ ｍｉ Ａ ｎ ｆ ｐ ｅ ｏ ｌ ｃｒｃ ｃ ｒ ｍｉ ｉｃ ｒ ｐ ｒｙ ｏ ｈ ｉｚ ｅｅ ｔ ｅ ａ ｃ． ｉ ｋｉｄ ｏ ｉ ｚ ｅｅ ｔｉ ｅ ａ ｃ ｐ ｅ ｅ，ｗｈｉｈ ｃ ｎ ｃ ａ ｐ ｏ ｕｃ ｏａｉ ｎ ｒ ｖ ｌｎ ｖ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｔ ａ ｔａ ｅｉ ｇ ｗａ ｅ，ｉ ｅ ｉ ｎ ｄ ｕ ｅ ｓ ａ ｄ ｖ ｌｍｅ ｔｆ ｒ ｔ ｅ ｕｔａ ｏ ｉ ｏｌ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ｓ ｄ ａ ｒ ｅ ｅｅ ｎ ｏ ｈ ｌｒ ｓ ｎ ｃ ｉ ｍｏ ｏ ．Ｔ ｒ ｄ ｃｎ ｏ ｒｅ ｏ ｈｅｗａ ｅ ｉ ｎ ｙ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ． ｔｒ ｈｅ ｐ ｏ ｕ ｉ ｇ ｃ ｕ ｆｔ ｖ ｓ ａ ａ ｚ ｄ ｉ ｈ ｏ ｙ ｓ ｌ Ｋｅ ｒ Ｔｒ ｖ ｌｎ ｖ ｙ ｗｏ ｄｓ ａ ｅ ｉ ｇ ｗａ ｅ，ｕ ｔａ ｏ ｉ ｌ ｓ ｎ ｃ，ｍｏｏ ． ｒ ｔｒ
微型旋转式行波型超声波电机瞬态特性测试平台设计
微型旋转式行波型超声波 电机瞬态特性测试平台设计
文／泮 凯翔 沈 润杰 吕斌 唐利 敏
固定 、连接 与对 中，实现步进驱动并完成瞬态 隔离 ）作为 供 电核心 ，其 中 １２Ｖ输 出用波 电 机是 目前微 型精 密控 制领 域最 常 用 的 电机 之 一 ， 由于 输 出转 矩 小 、 瞬 态过程 快 ， 目前 缺 乏合 适 的检 测设 备 ，对 其研 究造 成 了一定 的 阻碍 。本 文介 绍 了一种 适 用于微 型行 波超 声 波 电机 的 瞬态 特性 测 试 平 台，包含 驱 动 电 源 、机械 平 台 、 上 位 机 等模 块，具 有 结构 简单 、 成本 低等 优 点，可 实现 对 多种 规 格 微 型旋 转式 行波 型超 声 波 电机 毫秒 级瞬 态特 性 的测 试。通 过 实 验表 明，测量效 果 良好 。
速与 门芯片 ７４ＬＳ０９提 升电平与驱 动能力 后，
经 过 ＨＣＰＬ．２６３０光 耦 隔 离 芯 片 实 现 信 号 隔 离 ，
之后通过 ＭＯＳＦＥＴ专用隔离 芯片 ＩＲ２１１０驱动
推挽放大 电路产生高频高压 的交流信 号，最后
经过阻抗匹配对超声波 电机进行驱 动。光电编
码器信 号 的采集 由 ＤＳＰ的捕获 单元 实现 ，它
备 的启动力矩 要足够小，且检测系统需要具备
软件 可分 为上位 机 软件 和 下位机 软件 。
驱动 电源 ，可对微 型超声波 电机进 行驱动。
上位机 软件为测试系统提供人机界面 ，提供 参
本文所 设计 的测试系 统总体 结构如图 １所 数 设置功能、控制澳０试系统 的运行 、接 收、处
超声波 电机 （ＵＳＭ）是 一种利 用高频 电信 号进 行驱动的新型特种电机，具有结构 自由度 大、无电磁 干扰、低速大转矩、断 电自锁 、响 应速度 快分辨率高等优点，在微型驱动领域备 受关注 。其基 本原理是利用压电材料的逆压 电 效应 ，在 高频 高压 的 电信号激励 下产生同频率 的高频振动 ，激 发与转子 或滑块接 触媒介质点 的椭 圆轨迹运 动，利 用质 点在椭 圆运动轨迹顶 部与接触媒介 接触 的特点，使高频振动能对接 触媒介产生特 定方 向的摩擦 力，从 而驱 动转子 或滑块做旋转或直线运动 。随着航空航天技术、 微型机器人 、微操 作系统等微型高精密技术领 域 的深入发展 ，电机微型化 的需求及性 能要求 也随之提升 ，超声波 电机 由于具 备结构 自由度 大 、无 电池干扰 、低速大转矩 、断电 自锁 、响 应速度快分辨率高等优 点在微 型电机领域 备受 关 注 。
行波型超声电机调速特性复合补偿方法研究与实现
行波型超声电机调速特性复合补偿方法研究与实现与传统的电磁电机相比,超声电机具有力矩密度大、结构紧凑和电磁兼容性好等诸多优点,因而更适合在对体积/质量敏感的场合或高磁场强度环境中应用,并且已经出现了许多较为成功的应用案例。
在超声电机应用过程中,电机性能的提升受到了调速死区和温漂特性的影响,目前仍然没有可同时良好补偿上述两种影响的驱动方案,这导致了现有超声电机调速系统性能,包括稳速运行性能都还有较大提升空间。
因此,从运行机理、材料特性和调速驱动角度对超声电机调速特性进行深入研究,改善超声电机驱动方法具有重要的理论意义和工程价值。
本文着重分析了超声电机调速特性复合补偿问题,并以应用最为广泛的行波型旋转超声电机作为实验对象,提出并实验验证了超声电机调速特性复合补偿方法,该方法适用于各种类型超声电机的驱动。
首先,在给出超声电机旋转坐标系的基础上,基于Hamilton原理,结合对调速特性影响因素产生原因和影响机理的分析,通过引入与预紧力相关的阻碍力矩和温变特性参数,建立了可反映真实调速死区和温漂特性的超声电机数学模型,为后文补偿方法的设计和实现提供了分析基础。
其次,针对超声电机调速死区的补偿问题,给出了自调整驻波的概念,并提出了电压正交幅度调制方法。
该方法通过调制两相正交输入电压,在定转子接触界面中激励出了自调整驻波,所产生的高频驻波振动可避免因定转子紧密接触而出现的调速死区。
该方法激励出的驻波振幅与转速大小成反比,在补偿低速下调速死区的同时,保证了超声电机效率的提升。
与现有的调相调速方法相比,电压正交幅度调制方法以正余弦关系改变两相输入电压幅值获得自调整驻波,系统效率优于两相电压幅值固定、通过相位变化实现自调整驻波的调相调速方法。
再次,针对超声电机温漂补偿问题,基于机械品质因数给出了超声电机驱动的最优频率概念,提出了跟踪最优频率的方法。
该方法通过在线调节超声电机输入电压频率,使超声电机持续稳定地工作在导纳相位极值所对应的工作状态,从而可最优补偿因温度升高而对电机特性产生的不利影响。
旋转型行波超声电机网络的性能测试和仿真
旋转型行波超声电机网络的性能测试和仿真范培英;邱洋【摘要】@@%行波超声电机是新型电机,利用能量转换摩擦传递超声波振动,产生动力,其结构简单、性能优越和发展迅速.旋转型适合在医疗、航空航天等精密领域中使用.本文介绍了超声电机的工作原理和分类等,着重分析了不同温度下对电机工作频率、机械特性和摩擦材料等的变化情况.旋转型行波超声电机的性能随温度的升高呈下降趋势.【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2012(034)015【总页数】3页(P79-81)【关键词】超声电机;旋转型;共振频率;机械特性【作者】范培英;邱洋【作者单位】上海建桥学院信息化办公室,上海201319;上海电子信息职业技术学院计算机应用系,上海201411【正文语种】中文【中图分类】TN230 引言超声电机技术是综合了振动学、摩擦学、电力电子、自动控制和新材料等众多学科的新技术。
超声电机由于其优越的性能，而受到广泛的关注。
超声电机是将电能转换成机械能，利用压电陶瓷的逆压电效应获取运动和力矩，将材料通过机械共振和摩擦转换成转子的运动。
超声电机具有结构简单、噪声小、不受磁场干扰、效率高和控制性能好等特点，发展非常迅速，前景十分广阔,未来会用在医疗系统和安全系统甚至一些特殊领域。
行波超声电机由正交的两组驻波合成，其中定子质点做椭圆形的运动。
超声电机可以分为直线型和旋转型超声电机。
其结构式利用定子的行波波纹受到摩擦力而带动转子旋转，通过改变输入电压进而使行波的传播方向发生变化。
定子的频率和定子转子的摩擦力会因为温度而有所变化，导致超声电机的许多性能也随之受到影响。
本文通过温度的测试实验系统对超声电机共振频率、机械特性等随温度的反应的变化。
1 超声电机原理超声电机也被称为超声波电机，可以分成直线型和旋转型电机。
旋转型行波超声电机的结构如图1所示，其工作原理是在压电陶瓷上施加相同频率等幅、相位相差90°的交变电压，通过逆压电效应定子激发出两相驻波，驻波叠加形成沿一定方向传播的行波。
关于行波超声波电机的相关特性探讨
关于行波超声波电机的相关特性探讨摘要：超声波电机(USM)的响应快，动态性能好，本文主要介绍了行波超声波电机的转速控制特点以及其在常态和真空环境下的负载特性。
我们利用对超声波电机的分析,确定以调压方式作为主要调节方法对超声波电机进行低速控制，在此基础上设计超声波电机控制系统,对控制方法的有效性进行验证,并实现了超声波电机的低转速控制。
关键词：行波超声波电机；特性0 引言超声波电机(USM)的响应快且具备良好的动态性。
这是因为无电磁电机本身所具备的转矩脉动能够满足控制活动的所需动力源，且拥有着足够的发展空间。
但是，不容忽视的时候超声波在进行输入与输出活动的时候，其所产生的问题也是存在的，即非线性和时变性。
近年来，随着国内外研究活动的不断开展，针对于智能控制的发展有了新的理论内容来解决这一问题，以此来帮助超声波电机得以具备更为准确的精度控制力。
其中，最为关键的即为对死区范围的把控，这也是电机处于低速运转状态下把控有效性的追求和提升。
本文将主要介绍行波超声波电机的相关特性。
1 行波超声波电机的转速控制特点通过对定子谐振的运用，行波超声波电机可以对压力陶瓷的逆压电效用进行位移转化，进而实现定子在其表面的质点移动，从而带动转子转动。
因此电机定子的振型是影响定转子能量传递的一个关键因素。
本文实验用直径60mm行波超声波电机TUSM60设计时所选择的理想工作模态为B09，通过定子有限元模态分析可得到该模态下的振型，如图1所示。
在该模态下定子环上有9个弯曲振动波的波峰。
此模态的固有频率为40.212kHz。
通过模态分析还可以得知在该固有频率的附近频段内，同时还存在L04、B010、B08等振动模态。
调节驱动频率可以改变定子的振动状态，因此在控制中频率特性是行波超声波电机的一个重要特性。
电机的工作区域通常在谐振频率点的右侧。
我们根据一台电机进行特性研究。
在对电机运行机理进行分析时，根据定子理想振动模态，可将定转子接触面形状等效为正弦。
旋转行波超声电机结构设计
编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目：旋转行波超声电机结构设计信机系机械工程及自动化专业学号：学生姓名：指导教师：（职称：副教授）2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）旋转行波超声电机结构设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。
班级：学号：作者姓名：2013 年5 月25 日无锡太湖学院信机系机械工程及自动化专业毕业设计论文任务书一、题目及专题：1、题目旋转行波超声电机的结构设计2、专题超声电机的结构设计二、课题来源及选题依据传统的电机如电磁电机或者直流电机在使用中往往受到很多方面的限制，在某些特定的环境下如真空中，或者不可有磁场影响的环境下往往无法发挥良好的性能。
为此，一种新型的电机的设计对于人们的各行各业的使用开始至关重要。
超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，依靠定子和转子的摩擦耦合从而获得能量。
超声电机具有结构简单，体积小，耐高温等特点，这些特点让超声电机可以在航空航天，汽车，磁悬浮列车等方面能发挥无可取代的作用。
三、本设计（论文或其他）应达到的要求：①熟悉超声电机的历史及发展历程，对超声电机的适用领域及特点性能有全面的了解；②充分解析超声电机的工作原理以及各部件的作用；③掌握ANSYS有限元分析软件对超声电机的可行性进行分析，确定超声电机的可行性；④对超声电机的可行性进行分析，得到超声电机的可行性理论值，与ANSYS 分析得到的结果进行对比，确定超声电机的可行性模态；⑤对超声电机的各部件尺寸进行设计，并且绘制出各零件的零件图以及装配图；四、接受任务学生：机械94 班姓名五、开始及完成日期：自2012年11月7日至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名签名签名教研室主任〔学科组组长研究所所长〕签名系主任签名2012年11月7日摘要超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，激励弹性体产生谐振作用，把电能转换成微米级振幅的振动，再依靠定子和转子之间产生的摩擦耦合将这细微振动扩大为转子及与之相联的轴的旋转运动。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电 机 定 子 的 特 性 进 行 了 理 论 分 析 和 试 验 研 究 ， 指 并
．
国 家 自然 科学 基 金 资 助项 目（ 号 ： ０ ７ ０ ０ ； 东 省联 合基 金 资 助项 目（ 号 ： ９ ４ ０ ） 编 １８４９）广 编 Ｕ０ ３ ０ ４ 收 稿 Ｈ期 ：０ ９１ 一８ 修 改 稿 收 到 日期 ：０ ９１—ｇ ２ ０— ０ｉ ； ２ ０ —ｌＯ
７ 低 温 液 氮 环 境 中 正 常 工 作 ， 转 速 则 有 所 下 ７Ｋ 但
降 。 ．Ｓ ｎ ｕｎ ｔ 等 ［研究 了Ｎｅ ｃｌ 司生产 Ｂ ａ ｇ ｉａｔ ７ ｉ ］ ｗ Ｓ ａｅ公
的Ｓ ＱＵＩ ＧＬ 电 机 从 室 温 至 ６Ｋ 温 度 间 的 机 械 特 Ｇ Ｅ
１ 温 度对 超 声 电机 共振 频 率 影 响 的数 学 模 型
材料对 电机转速稳定性的影响 。对 比常温和低温下摩擦材料表面的形貌显示 ， 低温对磨擦界 面的影响较小 。总之 ，
目前 研 制 的行 波 型 旋 转 超 声 电 机 在 低 温 下 的 性 能 有所 下 降 ， 超 低 温 环 境 中性 能 变化 则 较 大 。 在
关键 词 低 温
中 图分 类 号
为便 于 引入温度 因素对 超声 电机定 子共振 频率
的影 响 ， 行波 型 超声 电机 的环形 定 子 等效 为 压 电 将 复合 梁模 型 ， 考察 在 Ｐ Ｔ材 料元件 激励 下 复合 梁 的 ｚ 横 向强迫 响应 。 利用文 献 ［ ６ 的方 法 ， 取能量 等效 １］ 采
性， 并成 功将其 用于试 验 系统上 ， 且在 低温 腔 中进 行
的 变 化 ， 导 致 定 子 性 能 下 降 的 主 要 原 因 。 田秀 是 等 ＿］ 验研 究 了影 响超 声 电机 真 空 低 温性 能 的 主 ｌ试 １ 要 因素 ， 指 出了 非常 态下 超声 电机关 键 部件 选 材 并 的重 要性 。 此外 ， 针对超 声 电机 专用 的压 电陶瓷材 料 也 有 了一 些 深 入 的 研 究 成 果 ， 适 合 低 温 工 作 的 如 Ｐ ＮＮ 材 料 Ｉ Ｐ Ｎ— Ｚ 材 料 的 烧 结 方 法 研 究 ［ 】 Ｚ ＰＴ 、 １ 、 高温 高频 驱动 压 电材料 的研 制［ 以及 软 硬压 电 材 １ ， 料的各 项参数 随温 度的 变化规律 ［］ 。 １等 本 文 以 自行研 制的 ＴＲ ＵＭ一Ｏ型行 波超声 电 机 ６
影 响 ， 入 温 度影 响 系数 得 到温 度 对 超 声 电机 共 振 频 率 影 响 的 数 学 模 型 ， 过 对 模 型 进行 计 算 机 仿 真 ， 析 了 电 机 引 通 分 共 振 频率 随 温 度 的 变 化 。 立 了超 声 电 机 在 低 温 下 的 试 验 测 试 系 统 ， 试 了低 温 环 境 下 电 机 的机 械 特 性 ， 建 测 以及 摩 擦
为 对 象 ， 点 研 究 了低 温 环 境 对 电 机 各 项 性 能 指 标 重 的 影 响 。首 先 ， 用 能 量 法 和 铁 木 辛 柯 梁 振 动 理 论 ， 运
并 考 虑温 度对 材 料弹 性模 量 的影 响 ， 建立 了温度 对 超声 电机共 振 频率 的数 学模 型 。 次 ， 立 了用 液氮 其 建
的超声 电机 ， 并将 其用 于机 械手 的驱 动上 。 试验 结 其 果 表 明 ， 有经过 特 别 处理 的超 声 电机 在 超低 温 和 只 真 空 环 境 中才 可 满 足 使 用 需 求 ［ 。此 外 ， ４ ］ ｘ．Ｎ．
Ｊｎ ｉ ｇ等 研 制 了基于 压 电单 晶体 陶瓷材 料 的直线 ａ
第３ Ｏ卷第 ５ 期 ２１ ０ ０年 ｌ 月 ０
振 动 、 试 与 诊 断 测
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＶｉｒ ｔ ｎ。 ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ＆ Ｄｉｇ ｏ ｉ ｏ ｒ ａ ｂ ａ ｉ Ｍ ａ ｕ ｅ ｎ ｏ ｏ ａ ｎ ｓｓ
Ｖ ｏ１ ０ Ｎｏ．５ ．３
０ｃ ． ２ １ ｔ ００
冷 却 的超声 电机低 温 试验 测试 系 统 ， 并应 用该 系统 进行 了超 声 电机低 温特 性 的试 验研 究 。 后 ， 最 通过 观
察 低 温 环 境 下 摩 擦 材 料 的 磨 损 情 况 研 究 了摩 擦 材 料 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
对转 速稳定 性 的影响 。
超 声 电机 ， 位 精度 达 ２ ｍ、 定 ０ 响应 时 间 ２ｍｓ 可在 ，
共振频率
转速稳定性
摩擦材料
超 声 电机
ＴＭ ３ ＴＭ ５ ９ ５ ５
出定 子 金属基 体 的弹性 模量及 压 电材料 弹性柔顺 度
引 言
近年来 ， 超声 电机 以其 优越 的性 能而备受 重视 。 噪 声低 、 性小 、 惯 不受 磁 场 干扰 、 电 自锁 以及 优越 断 的控 制性 能等特点 ， 使得 超声 电机在 航空 航天 、 武器 装 备 、 种加 工 和光 学精 密 定位 等领 域得 到 了广泛 特 应用 ｌ３ －ｊ １ 。然 而 ， 声电机 在运 行过 程 中产 生 的热损 ＿ 超 耗、 温度变化 和摩擦 损耗 等现象 ， 一定程 度上 还制 在 约着 超声 电机的推 广与应 用 。 ． 环 境 温度 直接 影 响着 超声 电机 的 各项 性 能 （ 如 转速 、 转矩 和效 率 等 ） 这是 因为 电机 的定 子模 态 频 ， 率和 定／ 子 间摩擦 界 面在 不 同 的温 度 下 发生 了变 转 化 。美 国Ｊ Ｌ实 验室研 制 了太空 环境 下能正 常工 作 Ｐ
行 波 型 旋 转 超 声 电机 的低 温 特 性
芦 小 龙 ， 丁庆 军 ， 李 华 峰 ， 赵 淳 生
（ 京航空航天大学精密驱动研究所 南 摘要 南 京 ，１ ０６ ２０１）
将 行 波 型旋 转 超 声 电机 的 定 子 环 形 体 等 效 为 压 电 复合 梁 模 型 ， 虑 温 度 分 别 对 压 电材 料 和 定 子 金 属 基体 的 考