超声波电动机解析
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。
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。
超声波电机
运行效率较低: 由于超声波电机的理论和计算方法及其 结构设计方法还不成熟，电机运行效 率较低，只有 10%~40%，而传统的电磁电机可达80% 以上。
超声波电动机的简介
第一，新型摩擦材料和压电材料的研制，以提高超声 波电机对环境的适应性。由于超声波电机是依靠摩擦 耦合来输出能量，接触面的磨损和疲劳是不可避免的， 这极大的制约了超声波电机的推广应用。
超声波电动机简介
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。
超声波电动机简介
5. 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，而且它不需 要减速机构，因此也不存在减速机构的 噪声，运行非常安静。
超声波电动机的简介
日本精工公司每年生 产二十万台用于手表 振动报时的超声波电 机，如图所示。
超声波电动机的简介
由于超声波电机可以 做得很薄而且转矩很 大，所以很适合用在 汽车专用电器中，如 可用在汽车车窗的驱 动装置中，用在雨刮 器、车灯转向和汽车 座椅调整等的驱动装 置中。右图所示为丰 田公司应用于轿车方 向盘操纵系统的超声 波电机。
超声波电动机简介
6. 超声波电机独特的驱动机理适应 了多种多样结构形式设计的需要，比如 同一种驱动原理的超声波电机，为了应 用于不同的安装环境，其外形可以根据 需要改变。
超声波电动机简介
超声波电动机的应用
超声波电动机的简介
超声波电机具有很多独特的优点，如结构简单、体积 小、响应速度快、低速大转矩、定位精度高、无电磁 干扰等，因而它的应用范围很广，下面主要介绍了超 声波电机在实际生活中的一些应用。
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。
超声电机的工作原理分析
• 按照超声电机利用的波型的差异可以将超 声电机分为行波型、驻波型等。仅用单相 输入信号的驻波型旋转超声电机，具有驱 动和控制电路简单，尺寸小等突出优点。
• 该种超声电机的原型样机最先由日本的等 人研制成功，他们对这种电机的运动机理 的定性解释为：由单相信号激励出的驻波 模态可以分解为两个同频率、空间相差 90°的模态，其中一个模态使齿做垂直振 动，另一个模态使齿产生水平方向的振动。
Hale Waihona Puke • 这样，齿在将转子顶起的同时拨动转子转 动。但他们并没有做任何的数学推导。本 文将从振动分析角度，通过假定单相激励 下驻波型旋转超声电机的工作模态的方法， 得到了定子上齿的运动方程，由此阐明了 单相驻波型旋转超声电机的运动机理。
• 单相驻波型旋转超声电机定子上齿的运动 特性本文叙述的单相驻波型旋转超声电机 的结构如。定子上的齿是这种电机结构设 计中必不可少的一部分，用来产生驱动力。 因此，研究齿的运动特性可以使我们对这 种电机的工作原理有更深入的了解。
超声电机保 护器
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超声电机的工作原理分析
• 超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效 应，使定子产生超声波振动，并通过定、 转子间的摩擦界面驱动转子的新型电机。 与传统的电磁电机相比它具有惯性小、响 应快、控制特性好、不受磁场影响、断电 自锁、低速大扭矩、无齿轮箱等特性。
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。
浅谈超声波电机
胜 任 ， 超 声 波 电机 就 再 合 适 不 过 了 。 声 而 超 波 电机 本 身 也 不 产 生 磁 场 ， 受 电 磁 电 机 易 （ ） 电 自锁 。 声 波 电 机 断 电 时 由于 的 磁 场 影 响 的 装 置 ， 采 用 超 声 波 电机 。 ６断 超 可 定 、 子 间静 摩 擦 力 的作 用 ， 电机 具 有 较 转 使 （ ） 动 微 型 机 械 。 型 机 械 作 为 一 个 ２带 微 大 的 静 态 保 持 力矩 ， 现 自锁 ， 去 制 动 闸 崭 新 的研 究领 域 ， 起 于 ８ 年 代 末 期 ， 已 实 省 崛 ０ 现 保持 力矩 ， 化定位控 制。 简 （ ） 行 无噪 声 。 ７运 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 ， 速时产生大 转矩 ， 低 无齿 轮 减 速 机 构 ， 运行非 常安静 。 （ ） 实 现 工 业 自动 化 流 水 线 生 产 。 ８易 超
超 声 波 电 机 是 近 ３ 年 发 展 起 来 的 一 种 ０ 新型 驱动器 ， 究成 果在宇航 、 器人 、 研 机 汽 车 、 美 定位 、 精 医疗 器械 、 型 机 械 、 物 及 微 生 遗传学 工程等 领域都 已取得成 功的应 用。 由于 其具 有 低 速 、 转 矩 、 电 磁 噪 声 、 大 无 电 磁 兼 容 性 （ Ｍｃ） 、 构 简 单 、 计形 式 灵 Ｅ 好 结 设 活、 自由 度 大 ， 实 现 小 型 化 和 多 样 化 、 易 动 态 响 应 快 、 制 性 能 好 、 位 移 特 性 、 电 控 微 断 自锁 、 行 无噪 声 、 低 温 、 空 ， 合 太空 运 耐 真 适 环 境 、 易实 现 工业 自动 化流 水 线 等特 点 ， 其 具 有 更 为 广 泛 的 应 用 前 景 。 采 用 了全 它 新的原理和结构 ， 不需 要 磁 铁 和 线 圈 ， 而是 利 用 压 电 材 料 的 逆 压 电效 应 和 超 声 振 动 直 接 获 得运 动 和 力 （ ） 。 打 破 了迄 今 为止 矩 的 它 由 电 磁 效 应 获 得 转 速 和 转 矩 的 电 机 的 概 念， 是处 于 当 前 世 界科 学前 沿 的 高 新 技 术 。
第十章 超声波电机
压电材料的应变
10.超声波电动机
2.椭圆运动及其作用
逆压电效应 压电振子 (定子) 多点激励 振动行波 振动驻波 扭转振动 伸缩振动 弯曲振动 椭圆运动 转子旋转或移动
质点运动轨迹
椭圆运动的作用
10.超声波电动机
有二个空间相互垂直的振动位移ux和uy，均是由简谐振动形成的， 振动角频率为，振幅分别为 x 和 y ，时间相位差为
相位差
非线性，不易实 现低速起动，有 死区，实现电路 较复杂
电压 幅值
两相电压 幅值相等
改变行波振幅
特性线性度好， 调节范围小，低 实现电路较简 速时转矩小，有 单 死区
10.超声波电动机
五、行波型超声波电机的驱动电路
驱动电路 电源
高频信号 发生器
移相器
相 位 检 测 超声波 电机
频率自动跟踪电路
超声波电动机几种控制方法的比较控制变量控制方法说明优点缺点频率通过调节谐振点附近频率控制转矩与转速响应快易于实现低速起动电路简单非线性相位差改变定子表面质点椭圆运动轨迹可控制电机转向非线性不易实现低速起动有死区实现电路较复杂电压幅值两相电压幅值相等改变行波振幅特性线性度好实现电路较简单调节范围小低速时转矩小有死区10
驱动电路框图
10.超声波电动机
六、其它类型超声波电机
1.驻波型超声波电机
楔形超声波电机
振子产生纵向振动，转子的倾斜产 生切向运动，二者合成椭圆运动。
10.超声波电动机
六、其它类型超声波电机
1.驻波型超声波电机
纵-扭复合型超声波电机
纵振子实现定转子间的接 触；扭振子使定子的上端 面质点产生椭圆运动。
10.超声波电动机
六、其它类型超声波电机
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
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。
-28-
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
-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
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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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。
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。
关键字：超声波电机、逆压电效应、机械振动、高新技术。
0引言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。
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。
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。
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。
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。
1978年，前苏联的Vasiliev成功地构造了一种能够驱动较大负载的压电超声波电动机，这种电机使用由位于两个金属块之间的压电元件所组成的超声换能器，将该换能器激起与转子接触的振动片纵向振动，通过振动片与转子间的摩擦来驱动转子转动。
这种结构的优点在于不仅能降低共振频率，而且能放大振幅，遗憾的是，这种电机在运转时由于温度的升高、摩擦及磨损等原因，很难保持振动片的恒幅振动。
1982年，Sashida又提出并制造了另一台超声波电动机——行波型超声波电动机，从原来的由驻波定点、定期推动转子变换成由行波连续不断地推动转子，大大地降低了定子与转子接触面上的摩擦和磨损。
这种电机能够运转的实质就是定子表面的质点形成了椭圆运动。
之后，在日本掀起了利用各种振动模态的研究热潮，如利用纵向、弯曲、扭转等振动来获得椭圆运动。
这种电机的研究成功，为超声波电动机走向实用阶段奠定了基础。
1987年，行波超声波电动机终于达到了商业应用水平。
此后许多超声波电动机新产品不断地研制出来并推向市场。
1 超声波电机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、超声波电动机的分类。
2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。
3超声波电机的分类3.1.1环状或盘式行波型超声波电动机图3-1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。
3.1.2 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。
图3-2（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。
图3-33.1.3 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。
图3-4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。
图3-5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。
3.1.4 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。
图3-63.1.5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。
4 超声波电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。
5超声波电机的驱动下图为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。