超声波电动机

微特电机课程论文超声波电动机

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超声波电机是一个机电耦合系统，涉及到振动学、摩擦学、材料学、电力电子技术、自动控制技术和实验技术等。超声波电动机利用压电材料的逆压电特性，激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动。与传统电机相比，它具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，是一项跨学科的高新技术。近几年来超声波电动机已成为国内外在微型电机方面的研究热点。

关键字：超声波电机、逆压电效应、机械振动、高新技术。

一、超声波电动机简介

超声波电动机(Ultrasonic Motor缩写USM)是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器。由于激振元件为压电陶瓷，所以也称为压电马达。80年代中期发展起来的超声波电机(Ultrasonic motor，USM)是基于功能陶瓷的超声波频率的振动实现驱动的新型驱动器。超声电机是一个典型的机电一体化产品，由电机本体和控制驱动电路两部分组成。产品涉及到振动学、波动学、材料学、摩擦学、电子科学、计算技术和实验技术等多个领域。超声波电动机打破了由电磁效应获得转速和转矩的传统电机的概念，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。

二、超声波电动机的分类

1. 环状或盘式行波型超声波电动机

由底部粘接着压电陶瓷元件的环状定子和环状转子构成。对极化后的压电陶瓷元件施加—定的高频交变电压，在定子弹性体中形成沿圆周方向的弯曲行波。对定、转子施加一定的预压力，转子受到与行波传播方向相反的摩擦力作用而连续转动，定子上的齿槽用于改善电机的工作性能。

2. 直线式行波型超声波电动机

（1）双Langevin振子型：利用两个Langevin压电换能器，分别作为激振器和吸振器，当吸振器能很好地吸收激振器端传来的振动波时，有限长直梁似乎变成了—根半无限长梁，这时，在直梁中形成单向行波，驱动滑块作直线运动。当互换激振器与吸振器的位置时，形成反向行波，实现反向运动。

（2）单轨型直线超声波电动机：把金属两端焊接起来形成田径跑道状的定子轨道，并在上面设置具有压紧装置的移动体(滑块)。压电陶瓷片粘在导轨的背面，通过两相时间、空间互差90 电角度的压电陶瓷横向伸缩，在封闭的弹性导轨中激发出由两个同频驻波叠加而成的行波，以此驱动压紧在导轨上的滑块做直线运动。

3. 驻波型超声波电动机

Sashida研制的楔形驻波型超声波电动机由Langevin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触(夹角为 )，诱发振动片前端产生向上运动的分量，产生横向共振，纵横振动合成的结果，使振动片前端质点的运动轨迹近似为椭圆。振动片向上运动时，振动片与转子接触处的摩擦力驱动转子运动；向下运动时，脱离接触，没有运动的传递，转子依靠其惯性保持方向向上的运动状态。

这种电机设计简单，但存在两个缺点：在振动片与转子接触处磨损严重；转子转速较难控制，仅能单方向旋转。

日立Maxell公司的改进型驻波超声波电动机，采用机械扭转连接器取代了楔形振动片，借助扭转连接器将压电振子产生的纵向振动诱发出扭转振动，两种振动在扭转连接器前端合成质点椭圆运动轨迹，驱动转子旋转。这种电机转速达到120r/min，输出转矩1.3N•m，能量转换效率为80％，超过传统电磁型电机。

驻波超声波电动机是利用在弹性体内激发的驻波来驱动移动体移动。但是，单一的驻波并不能传递能量，因为弹性体表面质点作同相振动。因此，驻波型超声波电动机通过激发并合成相互垂直的两个驻波，使得弹性体表面质点作椭圆振动，直接或间接地驱动移动体运动而输出能量。

根据激励两个驻波振动的方式不同,驻波超声波电动机分为：

（1）纵扭振动复合型:采用两个独立的压电振子分别激发互相垂直的两个驻波振动，合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹。

（2）模态转换型：模态转换型仅有一个压电振子激发某一方向的振动，再通过一个机械转换振子同时诱发与其垂直的振动，二者合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹，驱动移动体运动。

4. 非接触式超声波电动机

定子与转子之间不直接接触，而是在它们之间填充一种介质：液体或气体。当定子振动时，也就引起了介质的振动，在介质与转子的接触面就形成了摩擦力，从而驱动转子运转。非接触式超声波电动机是以牺牲转矩为代价的，其驱动力都很小。

5. 多自由度超声波电动机

电机由球形转子、两对径向定子等组成。定子是一个短圆柱体，用等截面梁穿过定子来施加轴向力，使得定子与转子紧密接触。利用粘贴在定子上的压电陶瓷同时在定子上激发出两个在空间互相垂直的振动模态，两个模态合成使得定子

侧表面产生行波，从而通过摩擦接触驱动球形转子转动。两对径向定子置于一个平面内不同的位置，这样电机就可得到两个自由度的运动。

三、超声波电动机的基本原理

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。

与传统的电机不同，超声波电机无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。一般由振动体(相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成)和移动体(相当于传统电机中的转子，由弹性体和摩擦材料及塑料等制成)组成。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使定子在超声频段(频率为20KHZ以上)产生微观机械振动。并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动。

实现超声波驱动有两个前提条件：首先，需在定子表面激励出稳态的质点椭圆运动轨迹；其次，将定子表面质点水平方向的微观运动转换成转子的宏观运动或平动。第一个前提条件对应着机电能量转换，利用逆压电效应由电能转化成机械振动能：第二个前提条件对应着运动形式转化，往往通过定转子间的摩擦力来实现，近年来亦有通过气体或液体为中间介质接触为非接触型超声波电机，也称为声悬浮超声波电机。从超声电机的工作原理可见，其正常工作离不开两个能量转换作用：机电转换作用和摩擦转换作用。机电转换作用是指压电陶瓷的逆压电效应，即对压电陶瓷振子加高频振荡电流，使它以超声波的频率振动。摩擦转换作用是指弹性体(定子与压电陶瓷的合称)的振动经过定子与转子工作面间的摩擦作用转化成转子的直线运动或旋转运动。要保证大力矩输出、止动性好，必须满足的条件就是有效足够的机电转换作用和有效稳定的摩擦转换作用。

此外，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。

四、超声波电动机的驱动

下图为DSP控制的超声波电机驱动原理框图，DSP作为整个系统的控制单元，通过DSP产生满足超声波电机谐振频率的高频的方波信号，经过前级驱动电路来控制MOSFET的开关，由此产生两路高频的方波来驱动超声波电机。