超声波电机研究现状

综 述・REV IE W 超声波电机研究现状收稿日期:2005-03-25芦亚萍,孟繁琴,袁云龙(宁波工程学院机械系,宁波　315016)摘　要:介绍了超声波电机的基本原理及分类。

概述了前苏联、日本、美国以及国内的超声波电机研究和应用情况,分析了超声波电机建模的研究进展和实际困难。

关键词:超声波电机;现状;应用中图分类号:T P211 文献标识码:A 文章编号:1001-6848(2005)05-0075-03The Recen t D evelop m en t of Ultra son ic m otorLU Ya-p ing,M EN G Fan-qin,YUAN Yun-long(N inbo U niversity of T echno logy,N ingbo,315016Ch ina)Abstract:T h is paper analyzes the basic theo ry of ultrasonic and gives its classificati on,then p resents the late research accomp lishm ent and app licati on trend in U SSR,Japan,U SA,and Ch ina.A t last po ints out the p rogress and difficulty about mo to r contro l and dynam ic model.Key words:ultrasonic mo to r;developm ent;app licati on0　引　言超声波电机是利用压电材料的逆压电效应实现驱动的一种新型微特电机,具有如下一些特点:(1)低压电源控制,功耗低;(2)刚度好,热稳定性好;(3)直接获得低转速大力矩,可直接用于驱动元件,不象电磁型电机需添加减速器;(4)没有线圈和磁铁,本身不产生电磁波,外部磁场对其影响也很小;(5)具有无源自锁性能,且响应时间短;(6)可实现高精密定位;(7)体积小,易于集成,能量密度高;(8)适宜在各种特殊的恶劣环境下使用。

超声波电机是压电陶瓷、功能材料、机械振动、超精加工、电力电子、控制理论等学科交叉发展的结晶,对其研究与开发具有重要的现实意义。

1　分　类超声波电机的分类没有统一的标准,目前通行的分类方法主要有以下几种。

按产生转子运动的机理可分为驻波型和行波型。

驻波型是利用作固定椭圆运动的定子来推动转子,属间断驱动方式。

行波型则利用定子中产生的行走的椭圆运动来推动转子,属连续驱动方式。

行波型超声波电机的特点是在弹性体内产生单向的行波,利用行波表面指点的椭圆振动轨迹传递能量。

由于波传播具有反射性和双向性,采用单个压电激励源不可能在细长弹性体环和棒内产生单方向的行波,只能产生一驻波。

要在有限长弹性体内产生单方向行波,必须采用防止波反射的措施或采用两个压电激励源,通过激励两个驻波合成行波,若采用两个激励源,则两激励源时间、空间相差Π 2的奇数倍。

驱动媒质与移动体的接触面按空间分布,两者仅在行波波峰处与移动体接触时驱动力较大。

驻波型超声波电机是利用在弹性体内激发的驻波,驱动移动体移动,单一的驻波表面质点作同相振动,不能够传递能量。

驻波型超声波电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,直接或间接驱动移动体运动而输出能量。

由于驻波型超声波电机弹性体表面质点作等幅同相振动,驱动媒质与移动体的接触或驱动力按时间分布,这是驻波型超声波电机的一个显著特点。

驻波型超声波电机根据激励两个驻波振动的方式不同,可分为纵扭振动复合型超声波电机和模态转换型超声波电机。

纵扭复合型超声波电机是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;模态转换型超声波电机仅有一个压电振子激发某一方向的振动,再通过一机械转换振子同时诱发一个与其垂直的振动,二者合成弹性体表面质点的椭圆振动轨—57—超声波电机研究现状　芦亚萍　孟繁琴　袁云龙迹,驱动移动体运动。

从超声波电机的移动体表面力传递接触方式来看,一般可分为接触式和非接触式。

接触式又分为:连续的局部面接触方式(如行波型超声波电机)、连续的点线接触(柱状弯曲振动型超声波电机)、断续的点线接触(如楔型驻波型超声电机)和断续的整个面接触(如纵扭复合型超声波电机)。

非接触型实际是以空气和液体等为中间介质接触,也称声悬浮超声波电机。

接触型超声波电机的弹性体通过摩擦材料与移动体接触,依靠摩擦力耦合驱动移动体运动。

接触型超声波电机存在磨损和寿命问题。

非接触型超声波电机的弹性体与移动体不直接接触,它是通过空气或液体(如水、盐水、硅油等)对转子施加驱动力,其寿命较长。

按转子的运动方式可分为旋转型和直线型。

2　国内外的研究和应用超声波电机实际是前苏联首先提出来的。

1964年基辅理工学院的V .V lavrinenko 设计了第一个压电旋转电机。

此后研究超声波电机的机构越来越多,主要有拉脱维亚的振动技术研究中心,基辅理工学院和乌克兰及列宁格勒理工学院等。

1980年,仅拉脱维亚的振动技术研究中心从事超声波电机设计及应用的就有30多人,其经费主要由苏联军事及空间工业部提供。

此时苏联在超声波电机领域处于领先水平,如设计了用于微型机器人的有二自由度和三自由度的超声波电机、超声步进电机等。

最早将超声波电机产业化的是日本T .Sash ida 教授于1980年提出并成功制造了一种驻波型超声波电机。

该电机使用L angevin 激振器,驱动频率17.8kH z ,输入功率90W ,输出扭矩0.25N .m 。

这是第一个满足了实际需要的超声波电机。

目前日本很多种类的超声波电机已经实现产业化,在国民经济中发挥着重要作用。

如摇头式棒状压电电机用于照相机电子镜头自动聚焦系统中;环状压电超声波电机用于楼宇窗帘的自动开闭;板状行波超声波电机用于摄像机镜头架的圆周方向扫描;球面超声波电机用于机器人关节;线性超薄电机用于音响音像影像设备。

在微小型超声电机的研制方面,日本研究人员采用先进的制造工艺研制出基于不同工作机理的上述3类超声微电机的实验样机。

同时日本也是当前超声波电机发展水平最高的国家,几乎拥有大部分发明专利。

他们不仅在新型电机及新型驱动机理的研究方面颇有建树,对诸如摩擦效率的提高,驱动方法的改进,预压力对表面质点椭圆轨迹的影响等深层次问题的研究也取得了很大的成绩。

美国从事超声波电机应用研究的机构主要有喷气推进器实验室、麻省理工学院、密苏理大学、加州伯克利分校,滨州州立大学等。

行波型超声波电机在美国得到了更加广泛的研究与应用,特别是在航天和军事领域,喷气推进器实验室研制的多功能自动爬行系统中用超声波电机作为驱动源。

麻省理工学院与喷气推进器实验室合作开展超声波电机在太空环境中应用的研究,为此,麻省理工学院开发了具有双面齿的行波型超声波电机。

密苏理大学的Jam es F riend 和D an Stu tts 已经建立起行波电机的诸多模型,包括板的振动分析模型,齿的运动模型,电机受力模型,预测电机输出力矩和速度的接触模型,并用有限元法对超声电机进行了变形与应力分析,在基础理论研究方面取得了非常可喜的成果。

加州伯克利分校的A n ita F lynn 在PZT 上沉积薄膜,研制出直径仅52mm ,转速为100～300r m in 的压电微电机。

美国学者也注意到压电微小型电机是超声电机发展的一个大趋势,所以政府投巨资研究用于计算机磁盘驱动和航天宇航领域的微型压电电机。

如滨州州立大学的国际换能器和驱动器研究中心正在从事微卫星用微型压电电机的研制工作。

我国虽在超声波电机的开发方面取得了进展,并有相应的样机试验成功,但其研究主要集中在高等院校,主要包括清华大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学和东南大学等。

国内各研究单位的侧重点多是对国外各种超声波电机和压电驱动器的跟踪性研究,且力量分散,水平参差不齐,比较有特色成果的比较少。

清华大学在超声波电机领域首先获得了国家自然科学基金资助,在直线箝位式微动压电电机、直线自校正式超声波步进电机、直线压电、电流变箝位式微动电机的研究取得重要成果。

哈尔工业大学自1991年开始从事超声波电机的研制工作,首次研制出新颖的三维接触驱动式超声波电机、无轴承新型超声波电机、双定子单转子式超声波电机、双面齿驱动的超声波行波电机、直线双向超声波驻波电机、板状双向超声波驻波电机。

南京航空航天大学将研制的行波超声波电机用于遥控自动窗帘,并在理论上对环状行波电机的输出特性、运动平稳性、调速机理和动力传递机理进行初步的探索性研究。

国外已将其应用于以下诸多领域。

(1)光学领域:透镜精密定位、光纤维位置校正、相机镜头自动—67—微电机　2005年　第38卷　第5期(总第146期)聚焦系统和隧道扫描显微镜等;(2)机械领域:机构主动式控制、振动的抑制与产生、工具的精密定位、压电夹具体、机器人、计算机和医疗设备等;(3)流体领域:流体测量、液泵、液阀和药注射器等;(4)电子领域:电子断路器、焊接工具的定位系统等。

3　研究趋势和电机模型随着超声波电机理论研究的深入,更多的研究开始面向应用层面,研究人员正试图把研究成果搬出实验室,并将其延伸到尽可能多的领域。

大多数超声波电机都靠摩擦来传递能量,机械磨损不可避免,在一些重复次数高的场合,其使用寿命相当短。

研究人员正尝试各种新的摩擦材料或涂层,力求在不损失能量传递效率的情况下,减小磨损,提高使用寿命。

由于超声波电机全新的设计理念,使之可以突破传统思维,在应用领域引发一系列的革命。

过去的电机和旋转几乎是同义词,超声波电机在直线电机上取得了很大突破,其位置控制精度已突破微米级。

一般来说,一个电机只有一个旋转自由度,要想实现多自由度运动,就需要同时使用多个电机。

日本率先研究的球面超声波电机可同时实现多个自由度运动,对于在机器人中实现多自由度仿生运动具有划时代意义。

超声波电机结构相对简单,它正向小型化,微型化方向发展,其最小结构尺寸记录被不断刷新。

同时,它还与目前盛行的M E M S相结合,为后者提供各种运动驱动。

作为一个处于成长期间的新生事物,超声波电机的许多问题还没有完全弄清楚,建立超声波电机正确的模型一直是困扰众多研究者的问题。

总的来说,超声波电机模型可以分为两类:控制模型和力学模型。

建立控制模型的主要目的是更好的通过信号和电路的调节来控制电机的运动输出,包括速度控制和位置控制。

几乎所有传统的控制方法,如P I D 控制、模糊控制等等都可以用到超声波电机的控制上,这一点国内外有很多研究。

同传统的电磁电机控制不一样,超声波电机几乎都是开环控制,这就带来了一个新的问题,首先需要对电机从电能到机械能的转化过程有一个准确的描述,也就是建立一个力学模型。