第八章 超声波电机

8.1概述
2. 超声波电机的分类 按波的传播方式分类：行波型超声波电机；
驻波型超声波电机。 按转子的运动形式分：旋转型超声波电机；
直线型超声波电机。 按转子运动自由度分：单自由度超声波电机；
多自由度超声波电机。 按定转子接触情况分：接触式超声波电机；
非接触式超声波电机。 本章主要对旋转行波型超声波电机进行分析。
a）正面
b）反面
图8-6 压电陶瓷电极布置图
压电陶瓷环的周长为行 波波长的n倍，图中n=9
极化分区可组成三个电极，其中A区和B区表示驱动环形超声波电机的
两相电极，它们利用压电陶瓷的逆压电效应产生振动；而s区是传感器
区，它利用压电陶瓷的正压电效应产生反馈电压，该电压可实时反映
定子的振动情况，其反馈信号可用于控制驱动电源的输出频率。
8.3.2 电机的工作原理
1. 定子行波的产生
由于压电陶瓷相邻分区 的极化方向相反，在共 振频率的交流电压激励 下，相邻极化区将会分 别伸张和收缩，从而在 定子弹性体中激励出弯 曲振动。
图8-7 定子行波的产生 a）定子弯曲振动激励 b）驻波合成行波机理
、
8.3.2 电机的工作原理
设A区和B区的驻波振动分别为
（8-6）
w 0 cos(kx t)
，取
8.3.2 电机的工作原理
2. 定子表面质点的运动轨迹
0 2
2
0 2
2
图8-3 椭圆的形态
2
2
8.3 环形行波型超声波电机
8.3.1 电机的结构 8.3.2 电机的工作原理 8.3.3转子的运动速度 8.3.4 电机的运行特性
8.3.1 电机的结构
环形行波型超声波电机，由定子和转子两大部分组成。以振动体 为主体的定子上开有齿槽，在定子不开槽的一面粘贴有压电陶瓷； 转子为一圆环；在定、转子接触的表面有一层特殊的摩擦材料， 如图8-4所示。
电机的转向是由椭圆 运动的转向决定的。
图8-2 质点运动的轨迹
8.2.2椭圆运动及其作用
椭圆运动的形成：在空间有两个相互垂直的振动位移 ux和 uy，均
由简谐运动形成，振动的角频率为 ，时间相位差为 ，振幅分
别为 x 和 y ，即有
ux x sin(t) uy y sin(t )
（8-1）
8.2 超声波电机的运动形成机理
8.2.1 压电效应简介 8.2.2 椭圆运动及其作用
8.2.1压电效应简介
压电效应是由法国的居里兄弟在1880年首先发现的。 正压电效应：对于晶体构造中不存在对称中心的异极晶体， 加在晶体上的应力，除了产生相应的应变以外，还在晶体 中诱发出介质极化或电场。 逆压电效应：若在晶体上施加电场，从而使该晶体产生电 极化，则晶体也将同时出现应变和应力。 正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。 超声波电机就是利用逆压电效应进行工作的。
图8-4 环形超声波电机的定子和转子 图8-5 环形超声波电机转配图
8.3.1 电机的结构
图中的阴影区域为未敷银或对
应部分的敷银层已经被磨去的
小分区，它把压电陶瓷的上下
极板分隔成不同的区域。图8-6
a）中相邻两个压电分区的极
化 方 向 相 反 ， 分 别 以 “ +” 和 “-”表示，在电压激励下一段 收缩，另一段伸长，构成一个 波长的弹性波。
从式（8-1）中消去时间 t ，则
ux2
x2
2uxuy
xy
cos
uy2
2 y
sin2
（8-2）
n (n 0，1， 2，) 时，两个位移为同相运动，合成轨迹为一直线；
n
时，其轨迹为一椭圆；
n
2
时，轨迹为Hale Waihona Puke Baidu则椭圆。
8.2.2椭圆运动及其作用
椭圆运动 转速： 为振动的角 频率 转向： 由振动的相 角超前相转 向滞后相 椭圆度： 由振动振幅 的差值确定
第8章 超声波电机
8.1 概述 8.2 超声波电机的运动形成机理 8.3 环形行波型超声波电机
8.4 行波型超声波电机的驱动与控制
8.5 其他类型的超声波电机 8.6 超声波电机的应用
8.1概述
超声波电机是利用压电材料(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为运动体的回转 或直线运动的新型驱动电机。电机驱动电源的频率一般高于20kHz， 已超出入耳所能采集到的声波范围，因此称为超声波电机。 超声波电机是典型的机电一体化产品。虽然仅有三十多年的发明和 发展历史，已在航空航天、机器人、精密仪器、医疗设备等诸多领 域已得到了很好的应用。目前仍是国内外开发研究的热点。 1. 超声波电机的特点 （1）低速大转矩。（2）无电磁噪声，电磁兼容性好。（3）响应 快、控制特性好。（4）断电自锁。（5）运行噪声小。（6）结构 形式多样。（7）摩擦损耗大，效率低。（8）寿命短。
图8-1 逆压电效应示意图
8.2.2椭圆运动及其作用
超声波电机的工作原理：以图8-2所示的 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 拨动，从而使转子连续不断的旋转。
8.2 超声波电机的运动形成机理
在图8-1中，压电材料的极化方向如空心箭头所示，当压电材料 的上下表面施加正向电压，即在材料表面形成上正下负的电场， 则压电材料在长度方面伸张、厚度方面收缩。反之，若在该压电 材料上下表面施加反向电场，则会在长度方向收缩、厚度方向伸 张。
当在压电体表面施加交变电场时，压电 体中就会激发出某种模态的弹性振动。 当外加电场的交变频率与压电体的机械 谐振频率相同时，压电体就进入谐振状 态，称为压电振子。当振动频率高于 20kHz时，就属于超声振动。
wA A coskxcost
（8-3）
wB B cos(kx )cos(t )
（8-4）
两列驻波叠加可得
w wA wB A coskxcost B cos(kx )cos(t )
若 A
B
0，
2
，
，则
2
（8-5）
w 0 cos(kx t)
沿 x 正向行进的行波。如何得到反向行波？