超声波电机的原理与应用
超声波电动机
微特电机课程论文超声波电动机学院:专业班级：学号：姓名：指导教师：日期：摘要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。
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。
超声波机的工作原理
超声波机的工作原理
超声波机的工作原理是利用超声波的传播特性来实现测量、成像、清洗、焊接、切割等功能。
其基本原理如下：
1. 产生超声波：超声波机内部包含一个发声部件，通常是由一块压电陶瓷晶体组成。
当电流通过晶体时，晶体会振动产生高频机械波，即超声波。
2. 传输超声波：超声波通过振动的晶体传播到波导器或换能器上，然后通过波导器或换能器输出到工作介质中。
3. 接收超声波：波导器或换能器不仅能够将电能转换为机械能产生超声波，还可以将机械能转换为电能接收到返回的超声波信号。
4. 处理超声波信号：超声波机内部的电子元件会对接收到的超声波信号进行放大、滤波、控制等处理，以确保信号的质量和可靠性。
5. 分析处理结果：处理后的超声波信号可以用来测量物体的距离、检测缺陷、成像内部结构等。
通过比较发送的超声波和接收到的超声波之间的差异，可以得出所需的测量结果。
总结起来，超声波机主要通过发声、传声、接声、处理和分析这几个步骤来实现超声波的产生、传播和利用。
根据不同的应用需求，超声波机可以在工业、医疗、环境监测等领域发挥作用。
超声波电机在医疗领域的应用
超声波电机在医疗领域的应用摘要：本文主要介绍了一种利用逆压电效应获得驱动力的的新型电机——超声波电机。
通过说明超声波电机的特定优点及工作原理，分析并展望了超声波电机在医疗领域等方面的应用。
关键词：超声波电机；医疗领域；注射器；内窥镜探头；多自由度关节1 引言超声波电动机是一种借助摩擦传递弹性超声波振动来获得驱动力的新型电机，和传统的电磁式电机的工作机理不同，超声波电机内部没有线圈和磁体，不需要通过电磁作用产生驱动力，这使其它具有低速大转矩、体积小、重量轻、无电磁干扰、响应速度快、运行时无噪声、断电自锁等特定优点。
上个世纪八十年代，日本的指田年生首次提出并制造出了一种可应用的驻波型超声波电机。
继而，国内外开始投入了很多力量对超声波电机进行应用研究。
在过去的几十年里，医疗领域是微电机技术应用最具代表性的领域之一，超声波电机在医疗领域的应用研究也一直都是焦点。
人们利用微型超声波电机攻克了一些医疗领域的技术难题。
2 超声波电机的原理2.1压电效应一般在电场作用下，某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形，带电粒子发生极化，某些介质也可以在纯机械应力作用下发生极化，并同时在两端表面内出现正负相反的电荷，这种现象称为正压电效应；反之，将电介质置于外电场中，在电场的作用下，这些介质会发生位移，随之电介质发生形变，当电场去掉后变形也消失，这种现象称为逆压电效应，也叫电致伸缩效应。
正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。
2.2超声波电机的工作原理超声波电机是基于压电材料的逆压电效应或电致伸缩效应使其电机定子产生微观机械振动，从而使用定子表面质点形成椭圆运动，然后通过定子和转子之间的摩檫力，将电能转换为机械能输出，从而驱动转子的运动。
超声波电机内部结构一般由振动体（定子）和移动体（转子）组成，振动体由压电陶瓷和金属弹性材料组成，移动体有弹性体和摩擦材料等组成。
3 医疗领域的发展随着我国经济的发展和人民生活的改善，医疗服务的需求逐步增加，我国的医疗领域技术也面临着新的挑战。
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。
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。
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
超声波电机及其驱动器简介
超声波电机驱动器简介
超声波电机驱动器简介
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。
驱动器固定二相输入电压为超声波的额定电压，二相高频交流输出电压的时间相 移取士90`，由此实现电机的正、反转控制。
超声波电机的应用
德国帕特博恩大 学的Heinz Nixdorf Institute 研制的驱动轿车 顶窗的直线型超 声波电机。
超声波电机的应用
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。
超声波电机及其驱动器简介
超声波电机简介
超声波电机简介
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。
超声波电机简介
应用主要体现在微观领域、要求无 电磁干扰的环境中等一些场合。比如在 微观领域，随着纳米技术的发展，分子 机器概念的提出，传统电机依据电磁感 应原理的电机，受理论和结构形式上的 限制，而不能作为这些微小装置的动力 源；在要求无电磁干扰的环境中，磁式 电机显然也无法满足要求。
超声电机发展概况
驻波型
超声电机发展概况
超声波电机的工作原理
超声波电机的工作原理
1 超声波电机
超声波电机是一种新型的无极变速电机，它的概念来源于无极步
进电机的原理。
它的基本原理是利用来自多个超声波发射器的超高频
信号来改变电机的转速。
这对传统的步进电机的控制有着巨大的改变。
构成
超声波电机的主要组件由多个超声波发射器、接收器和控制电路
组成。
每个超声波发射器负责将一定频率的超声波脉冲发送出去。
接
收器将接收电机发出的超声波脉冲转变为电信号，然后经由控制电路
对电机进行控制。
原理
超声波电机是一种发射和接收超声波信号来控制电机转速的无极
变速器。
当多个超声波发射器发送超声波信号时，电机体内的接收器
将接收到超声波信号，并将之转化为电信号。
控制电路则接收到转变
后的电信号，根据其不同频率来控制电机的转速或者是发出停止命令。
优势
超声波电机拥有无极变速电机的许多优点，其输出功率强、切换
灵活，不受电源造成的噪声干扰，稳定且高效。
此外，超声波电机的
信号可以传播任何距离，不受任何电磁干扰。
最后，超声波电机还可
以通过调整频率来改变电机的转速，从而满足用户对变速的要求。
结论
超声波电机的技术并不难，但它的应用非常广泛。
它能解决很多变速性能低、受电源影响大等方面的问题，同时满足大多数应用情况下的控制要求，而且具有很好的稳定性、高效率。
第二篇-超声波电机驱动原理
第二章超声波电机的驱动原理第二章超声波电机的驱动原理本章从压电陶瓷的特性出发，系统地叙述了超声波电机中压电陶瓷的压电效应和逆压电效应，并对其相关的参数进行了系统的讨论。
本章还将几何分析法和弹性动力分析法相结合，分析了定子表面质点的椭圆运动的形成，论述了行波型超声波电机的运行机理，为行波型超声波电机的建模、设计制作、实验研究以及驱动电源和控制系统的研究提供必要的理论指导。
2.1 压电效应与压电陶瓷[21-25]压电陶瓷作为超声波电机能量转换的媒介，它起着为超声波电机提供驱动力的重要作用，如同人体的心脏一样。
因此，研究超声波电机就必须对压电材料特性有深入的认识和了解，才能掌握超声波电机的运行机理并能正确地选择和使用压电材料。
在研究超声波电机的驱动机理前，首先从压电陶瓷与普通陶瓷的最重要的区别——压电效应开始。
2.1.1 压电效应压电效应（Piezoelectric Effect）早在1880年，法国的两位科学家——居里（Curie）兄弟，在研究石英晶体的物理性质时，发现了一种特殊的现象，这就是若按某种方位从石英晶体上切割下一片薄晶片，在其表面上敷上电极，当沿着晶片的某些方向施加作用力而使晶片产生变形后，会在两个电极表面上出现等量的正、负电荷。
电荷的面密度与施加的作用力的大小成正比；作用力撤销后，电荷也就消失了。
这种由于机械力的作用而使晶体表面出现电荷的现象，称为正压电效应，如图2-1所示。
后来人们又在其它一些晶体上进行了类似的实验，发现有许多晶体都具有这种现象。
这些具有压电效应的晶体统称为压电晶体。
发现正压电效应的第二年，也就是1881年，由李普曼在理论上预言，由居里兄弟在实验上证实了另一种物理现象：将压电晶体置于外电场中，由于电场的作用，会使图2-1 正压电效应示意图图2-2 逆压电效应示意图（实线代表变形前的情况，虚线代表变形后的情况）14。
超声电机原理
超声电机原理超声电机是一种利用超声波振动产生的驱动力来驱动转子旋转的电机。
它具有体积小、转速高、响应速度快等特点，在现代工业生产中得到了广泛的应用。
超声电机的工作原理主要包括超声波振动产生、超声波传递和转子驱动三个方面。
首先，超声电机的工作原理是利用压电效应产生超声波振动。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会发生形变，产生电荷分布不均，从而产生电场的现象。
当外加电压作用于压电晶体时，晶体会发生机械振动，产生超声波。
这种超声波的频率通常在20kHz以上，能够提供足够的驱动力来驱动转子旋转。
其次，超声波通过传感器传递到转子上。
传感器通常由压电陶瓷和金属片组成，当超声波传递到传感器上时，压电陶瓷会产生振动，从而使金属片发生弯曲变形。
这种弯曲变形会产生一个周期性的力，作用在转子上，从而驱动转子旋转。
由于超声波的频率很高，转子可以以非常快的速度旋转，因此超声电机具有响应速度快的特点。
最后，转子受到超声波的驱动而旋转。
超声波通过传感器传递到转子上后，产生的周期性力会使转子发生旋转。
由于超声波的频率高，转子旋转的速度也会非常快，可以达到几千转/分钟甚至更高的转速。
这种高速旋转的特点使得超声电机在一些需要高速驱动的场合具有很大的优势。
总的来说，超声电机是一种利用超声波振动产生的驱动力来驱动转子旋转的电机。
它的工作原理主要包括超声波振动产生、超声波传递和转子驱动三个方面。
超声电机具有体积小、转速高、响应速度快等特点，在现代工业生产中得到了广泛的应用。
希望通过本文的介绍，读者对超声电机的工作原理有了更深入的了解。
超声波电动机及其驱动控制器通用技术条件
超声波电动机及其驱动控制器通用技术条件超声波电动机及其驱动控制器通用技术条件是指超声波电动机及其驱动控制器的技术规范和标准，它们是超声波电动机及其驱动控制器生产和使用的基础。
超声波电动机及其驱动控制器是一种新型的电动机和控制器，它们具有高效、低噪音、低振动、高精度等优点，广泛应用于机器人、医疗设备、精密仪器等领域。
超声波电动机是一种利用超声波振动产生的机械振动来驱动转子旋转的电动机。
它的工作原理是利用超声波振动产生的机械振动来驱动转子旋转，从而实现电动机的转动。
超声波电动机具有高效、低噪音、低振动、高精度等优点，广泛应用于机器人、医疗设备、精密仪器等领域。
超声波电动机的驱动控制器是一种用于控制超声波电动机转速和方向的电子设备。
它的主要功能是控制超声波电动机的转速和方向，从而实现超声波电动机的精确控制。
超声波电动机的驱动控制器具有高效、低噪音、低振动、高精度等优点，广泛应用于机器人、医疗设备、精密仪器等领域。
超声波电动机及其驱动控制器通用技术条件包括以下方面：1. 性能指标：超声波电动机及其驱动控制器的性能指标包括转速、转矩、功率、效率、噪音、振动等。
2. 外观尺寸：超声波电动机及其驱动控制器的外观尺寸应符合国家标准和行业标准。
3. 工作环境：超声波电动机及其驱动控制器的工作环境应符合国家标准和行业标准。
4. 安全性能：超声波电动机及其驱动控制器的安全性能应符合国家标准和行业标准。
5. 可靠性能：超声波电动机及其驱动控制器的可靠性能应符合国家标准和行业标准。
6. 电气性能：超声波电动机及其驱动控制器的电气性能应符合国家标准和行业标准。
7. 环保性能：超声波电动机及其驱动控制器的环保性能应符合国家标准和行业标准。
总之，超声波电动机及其驱动控制器通用技术条件是超声波电动机及其驱动控制器生产和使用的基础，它们的制定和实施对于推动超声波电动机及其驱动控制器的发展和应用具有重要意义。
超声波电机的发展及应用
超声波电机的发展及应用1.超声波电动机原理超声波电动机(Ultrasonic Motor缩写USM)是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器。
是国外近20年发展起来的一种新型电机。
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。
逆压电效应能够在振动体内激发出几十千赫的超声波振动 ,使振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率的微观振动(振幅一般为数微米) ,如椭圆、李萨如轨迹等 ,该微观振动通过振动体和移动体之间的摩擦作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。
因此 ,超声波电机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。
近几年发展出了多种超声波电机，如环形行波USM、步进USM、多自由度USM等，且行波型USM 已有较成熟的设计。
下面来说明一下行波型USM的原理。
行波型USM要旋转，需要具备两个条件：与转子相接触的定子表面质点须做椭圆运动 ,定子、转子之间的接触面须有摩擦力。
图 1 中的弹性体为定子 ,其上部为转子 ,定子、转子间夹一层摩擦材料。
摩擦材料一般粘接在转子表面上。
利用电能激励压电陶瓷复合振子 ,使之产生超声振动 ,并在弹性体内产生行波。
当电信号频率调整到与定子(弹性体) 的机械共振频率一致时 , 定子的振动幅度最大 , 并形成行波。
在行波的弯曲传播过程中 ,定子表面的质点就会形成椭圆振动轨迹。
当无数个这样的粒子都以同相位振动时 ,就会在定子表面形成力矩 ,力矩方向与行波传播方向相反。
该力矩依靠定子、转子间的摩擦力驱动转子运动。
超声波电机
它的基本构成是振动部件和运动部件， 它的基本构成是振动部件和运动部件，不存在绕组和磁场 部件（如铁心、磁钢等），简单。 部件（如铁心、磁钢等），简单。 ），简单 单位体积转矩大,与相同结构十分体积的电磁原理电动机 单位体积转矩大 与相同结构十分体积的电磁原理电动机 比较，额定力矩是它的10倍。 比较，额定力矩是它的 倍 不需要减速齿轮就可以将转速调节至零。 不需要减速齿轮就可以将转速调节至零。 在低速下可直接输出大转矩，电动机可控性能优良。 在低速下可直接输出大转矩，电动机可控性能优良。 制动转矩下，不需要附加制动器。 制动转矩下，不需要附加制动器。 内动力大，响应性能好，机械时间常数小（ 内动力大，响应性能好，机械时间常数小（1ms）。 ）。 在可听范围内，运转安静，不产生电磁噪声。 在可听范围内，运转安静，不产生电磁噪声。 电动机既不受外界磁场影响，也不产生杂散磁场。 电动机既不受外界磁场影响，也不产生杂散磁场。 按使用要求，可设计成需要的结构和形状。 按使用要求，可设计成需要的结构和形状。
1.优点 优点
它突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不 用电磁相互作用来转换能量，而是利用压电陶瓷的逆 压电效应、超声振动和摩擦耦合（接触型）来转换能 量。 与法拉第电磁式电机相比，超声波电机有如下的几个 突出优点：安静，污染小；定位精度高；调焦时间短； 无齿轮减速机构，可直接驱动负载，结构简单；能量 密度大；低转速，大转矩；体积小，重量轻；不产生， 也不受电磁干扰，不怕辐射；起动，停止响应快，响 应时间小于ms。特别是它具有重量轻、结构简单、噪 声小、低速大扭矩以及可直接驱动负载等特性。 它不需要齿轮变速机构来降低转速，避免了使用齿轮 变速机构而产生的振动、冲击与噪声等问题。可以说， 超声电机技术是处于当今世界高新技术之一
五种新型电机简介
五种新型电机简介姓名：赵涛学号：1、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。
超声波电动机
特种电机及其控制
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第6章 超声波电动机
3 超声波电动机的优点及其应用
超声波电动机将电致伸缩、超声振动、波动原理这些毫不相干的概念与 电机联系在一起，创造出一种完全新型的电动机。
(1) 低速大转矩: 在超声波电机中，超声振动的振幅一般不超过几微
米，振动速度只有几厘米每秒到几米每秒。无滑动时转子的速度由振动 速度决定，因此电机的转速一般很低，每分钟只有十几转到几百转。由 于定子和转子间靠摩擦力传动，若两者之间的压力足够大，转矩就很大。
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。 5）美国IBM 公司的Barth 也在1973 年提出了一种超声波电动机的模型，从 而使这种新型电机可以实现真正意义上的工作。
第6章 超声波电动机
当对粘接在金属弹性体上的两片压电陶瓷施加相位差为90电角度的高频电压 时，在弹性体内产生两组驻波(Standing Wave)，这两组驻波合成一个沿定子 弹性体圆周方向行进的行波(Progressive Wave/Travelling Wave)，使得定 子表面的质点形成一定运动轨迹(通常为椭圆轨迹)的超声波微观振动，其振 幅一般为数微米，这种微观振动通过定子(振动体)和转子(移动体)之间的摩 擦作用使转子(移动体)沿某一方向(逆行波传播方向)做连续宏观运动。
第09章-超声波电动机
（3）相位差控制
改变两相激振电压的相位差可以改变定子弹性体表 面质点的椭圆运动轨迹，从而改变电动机的转速。这种 方案的优点是可以方便地控制电动机的转向，但缺点是 低速起动困难，并且实现电路较为复杂。
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第九章 超声波电动机 二、驱动控制电路
超声波电动机利用摩擦传动，定、转子间的滑动情
况不能完全确定。因此，要实现对超声波电动机转速的 精确控制，必须采用闭环控制系统。
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
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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
转子
机工作的最基本条件，起驱
动源的作用。但是，并不是 任意超声振动都具有驱动作 用， 它必须具备一定的形 态，即振动位移的轨迹是一
u y ( x, t ) cos( 2π x 0t )
（9-6）
设弹性体的厚度为h，则P点的横向振动位移为
h y ( x, t ) πh 2π u x ( x, t ) sin( x 0 t ) （9-7） 2 x
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第九章 超声波电动机
由以上两式，得
圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决定了 定子对转子的拨动方向，所以也就决定了超声波电动机 的转子转向。
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第九章 超声波电动机 三、行波的形成及特点 上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个 质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载， 而 应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋 根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间 和空间均相差π/2的两相驻波叠加后，将形成一个合成 行波。
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超声波电机的原理与应用
周传运
超声波电机(Ultrasonic Motor ,USM )是国外近20年发展起来的一种新型电机。
事实上,在超声波电机问世之前,已有以压电效应驱动的电机,但其频率并不局限于超声波范围。
早在1948年,威廉和布朗就申请了“压电马达”的美国专利;1964年,前苏联基辅理工学院设计了第一个压电旋转电机;1970～1972年,西门子公司和松下公司发明了压电步进电机,不过因无法达到较大的输出转矩而没能实际应用。
1980年,日本的指田年生研制成超声波压电电动机(即现代意义上的超声波电动机),克服了传统压电电动机转换效率低和变位微小的缺陷,使压电电动机进入工业实用阶段。
一、超声波电机的原理和结构超声波电机的原理 超声波电机利用压电材料的逆压电效应①产生超声波振动,把电能转换为弹性体的超声波振动,并把这种振动通过摩擦传动的方式驱使运动体回转或直线运动。
磁极和绕组,它一般由振动体②和移动体③组成,为了减少振动体和移动体之间相对运动产生的磨损,通常在二者间加一层摩擦材料。
当在振动体的压电陶瓷(PZT )上施加20KHz 以上超声波频率的交流电压时,赫的超声波振动,使振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率的微观振动(振幅一般为数微米),如椭圆、李萨如轨迹等,该微观振动通过振动体和移动体之间的摩擦作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。
因此,超声波电机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。
根据这一思想,日、德等国近几年相继研发出多种超声波电机,如环形行波USM 、步进USM 、多自由度USM 等,且行波型USM 已有较成熟的设计。
下面以行波型USM 的
旋转说明其工作原理。
行波型USM 要旋转,需具备两个条件:与转子相接触的定子表面质点须做椭圆运动,定子、转子之间的接触面须有摩擦力。
图1中的弹性体为定子,其上部为转子,定子、转子间夹一层摩擦材料。
摩擦材料一般粘接在转子表面上。
利用电能激励压电陶
瓷复合振子,使之产生超声振动,并在弹性体内产生
行波。
当电信号频率调整到与定子(弹性体)的机械共振频率一致时,定子的振动幅度最大,并形成行波。
在行波的弯曲传播过程中,定子表面的质点就会形成椭圆振动轨迹。
当无数个这样的粒子都以同相位振动时,就会在定子表面形成力矩,力矩方向与行波传播方向相反。
该力矩依靠定子、转子间的摩擦力驱动转子运动。
转子的运动速度由定子表面质点的振幅和频率决定,振幅大则速度快;另外,加大定子、转子间压力,增加其间的摩擦力,也会增大转子受到的力矩。
图1 定子表面质点的椭圆运动轨迹
环形行波型超声波电机的结构 图2为环形行波型USM 的结构示意图。
主要部件为定子和转子。
定子由弹性环、压电陶瓷环和粘接在其上的带有凸齿的弹性金属环组成,弹性环由不锈钢、硬铝或铜等金属制成。
凸齿的作用是放大定子表面振动的振幅,使转子获得较大的输出能量。
压电陶瓷环采用的是施加交变电压后能够产生机械谐振位移的“硬性”压电陶瓷材料,其质量好坏直接影响电机性能。
粘接剂多用高温固化的环氧树脂胶。
图2 环形行波型USM 的结构示意图
转子由转动环和摩擦材料构成。
转动环一般用
不锈钢、硬铝或塑料等制成。
摩擦材料必须牢固地粘接在转子的接触表面,从而增加定子、转子间的摩
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63・现代物理知识
擦系数,一般为高聚物,多采用聚酰胺或某些树脂通过胶合芳香族聚酰胺纤维制成的片状合成塑料板。
二、超声波电机的技术特点
不受磁场干扰的影响 从其原理和结构可以看出,USM没有线圈与磁路,因而在运转时不受外界磁场影响,而且本身也不会产生磁场。
在一些无法应用传统电磁电机的特殊场合———强磁场干扰和严格限制磁场等(如核磁共振装置、磁悬浮列车、严格消磁的精密仪器等必须采用电机的部位),USM都能一展身手。
能够直接驱动负载 现在我们常用的电磁电机,若要使其产生较大的转矩,必须采用减速机构,因转矩与电机的旋转速度成反比;而USM的转速一般较低,且能直接产生较大的转矩,无须减速机构,就可直接驱动负载,从而减少了减速机构所占用的体积,也使应用更具灵活性。
据报道,浙江大学于2002年7月初步建立了大力矩USM数学模型,其力矩达1310N・m,该数值与1kW/380V四极三相异步电机的最大输出转矩相当。
断电后具有自锁功能 一般的电磁电机在断电后并不会立即停止,而USM在突然断电后会立即停止运转,不会因惯性继续运动。
在需要移动定位的场合,USM的这一特点使其易于实现精确定位,精度可达到纳米级。
除此之外,USM还具有噪音低、重量轻、体积小、响应速度快、结构简单等一系列优点。
然而由于USM依靠摩擦力驱动,导致功耗增加,同时摩擦生热也会造成PZT老化等一系列问题,从而限制了USM的推广应用。
现阶段的USM寿命一般较短,同时也不适合高速旋转。
USM的磨耗一直是研究者关注的焦点,如何减少磨耗、怎样由直接接触驱动改为间接驱动等问题,是国内外研究者的努力方向。
三、超声波电机应用范围及我国的现状
USM有望在各种工业控制装置、机器人、航空航天、家电产品、办公自动化设备、高精密仪器等方面替代现有传统电机所构成的驱动机构和伺服系统。
日本有关专家预言:21世纪将是超声波电机广泛应用的时代。
早在1994年,美国有关研究报告预计:在不远的将来,超声波电机将取代全部小型传统
电机。
据文献报道,日本1994年超声波电机的市场规模已达200亿日元,2005年达1500亿～2500亿日元。
日本佳能(CANON)公司最早将USM用于照相机的透镜驱动,因为USM可以做成中空结构,使对焦系统结构简单,而且直接驱动、自锁省去了减速机构,电机断电后会自动停止,照相机对焦快速、准确。
扫描隧道显微镜(STM)也通过USM调焦,美国航空航天局用于检测宇宙飞船船舱外壁的多功能自动爬行系统中也采用USM。
USM的研究已引起我国的高度重视,一直作为基金重点支持项目。
我国从20世纪90年代开始研究超声波电机,但还没有规模应用的产品。
东南大学超声波电机研究小组从1995年开始研究超声波电机。
在探索超声波电机结构原理、运行机理的基础上,进行了大量电机结构优化和性能提高方面的工作,研制成功了环形行波型、柱体摇摆型、三自由度球型和自校正步进型超声波电机等,其中的三自由度球形USM可用于机器人的关节部位,也可驱动摄像机进行广角度拍摄。
2002年3月在清华大学周铁英教授指导下研发的微型USM获得成功,它仅重36毫克、长4毫米、直径1毫米。
报道说:“装载超声马达的微型机器人,可以轻松地清除血管、心脏的堵塞,探测肠胃疾病,甚至可能做到把药物放到具体的病灶处”。
(山东省济宁职业技术学院 272037)
①材料因加电压而造成体积变化的效应称为逆压电效应。
②振动体相当于传统电机中的定子,由压电陶瓷和金属弹性体制成。
③移动体相当于传统电机中的转子。
封三照片说明
饮食男女,人之大欲存焉。
现代化的飞速发展使生活节奏不断加快,轻松快捷地提高生活质量,已成为人们热切追求的目标。
烹饪机器人的诞生给未来生活带来了变革。
这台名叫“爱可”的烹饪机器人能够模拟厨师工作,以炒、爆、煸的烹饪手法烹制美味的中国菜肴。
顾客只需将“爱可”专用配菜盒装入其进料口,按指示屏简单操作,几分钟后一道美味的菜肴便完成了。
相信在不久的将来,烹饪机器人将会走进您的生活。
(李博文)
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19卷3期(总111期)。