第11章 超声波电动机
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第11章
源自文库
超声波电动机
超声波电机是国内外日益受到重视的一种新型直接驱动 电机。它与传统的电磁式电机不同，没有磁极和绕组，不依 靠电磁介质来传递能量，而是利用压电材料（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 动的方式转换成运动体的回转或直线运动，这种新型电机一 般工作于20KHZ以上的频率，这个频率已超出人耳所能采集 到的声波范围，因此称为超声波电机。
11.1 行波型超声波电动机
行波型超声波电机就结构来看，有环形行波型超声波电机 （Ring-typeTravelling-Wave Ultrasonic Motors，简称 RTWUSM）和圆盘式超声波电机（Disk-type Ultrasonic Motors， 简称DTUSM），RTWUSM是目前国内外应用和研究最多的电 机。后图为RTWUSM的基本结构分解图，定转子均为圆环形结 构。其中，转子同定子的接触面覆有一层特殊的摩擦材料，定 子上开有齿槽，定转子之间依靠蝶簧变形所产生的轴向压力紧 压在一起。
环形行波型超声波电机的结构
行波型超声波电动机结构
压电陶瓷（PZT）极化分布
定子振动原理
超声波电动机变频调速系统原理框图
压电传感器直接反馈频率控制原理图
超声波电机应用
超声波电机应用
超声波电机应用
赵淳生
某行波型超声波电机的典型结构
某行波型超声波电机运行原理图
超声波电机不同于电磁式电机，它具有以下特点：
（1）低速大转矩。超声波电机振动体的振动速度和摩擦传动机制决定了 它是一种低速电机，但它在实际运行时的转矩密度一般是电磁电机的10倍 以上。因此，超声波电机可直接带动执行机构，这是其它各类驱动控制装 置所无法达到的。由于系统去掉减速机构，这不仅减小体积、减轻重量、 提高效率，而且还能提高系统的控制精度、响应速度和刚度。 （2）无电磁噪声、电磁兼容性（EMC）好。超声波电机依靠摩擦驱动， 无磁极和绕组，工作时无电磁场产生，也不受外界电磁场及其他辐射源的 影响，非常适用在光学系统或超精密仪器上。 （3）动态响应快、控制特能好。超声波电机具有直流伺服电机类似的机 械特性（硬度大），但超声波电机的起动响应时间在毫秒级范围内，能够 以高达1kHz的频率进行定位调整，而且制动响应更快。 （4）断电自锁。超声波电机断电时由于定、转子间静摩擦力的作用，使 电机具有较大的静态保持力矩，实现自锁，省去制动闸保持力矩，简化定 位控制。 （5）运行无噪声。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，低速时产生大转矩，无齿轮减速机构，运行非常安静。 （6）微位移特性。超声波电机振动体的表面振幅一般为微米、亚微米， 甚至纳米数量级。在直接反馈系统中，位置分辨率高，较容易实现微米、 亚微米级、纳米级的微位移步进定位精度。
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超声波电动机
超声波电机是国内外日益受到重视的一种新型直接驱动 电机。它与传统的电磁式电机不同，没有磁极和绕组，不依 靠电磁介质来传递能量，而是利用压电材料（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 动的方式转换成运动体的回转或直线运动，这种新型电机一 般工作于20KHZ以上的频率，这个频率已超出人耳所能采集 到的声波范围，因此称为超声波电机。
11.1 行波型超声波电动机
行波型超声波电机就结构来看，有环形行波型超声波电机 （Ring-typeTravelling-Wave Ultrasonic Motors，简称 RTWUSM）和圆盘式超声波电机（Disk-type Ultrasonic Motors， 简称DTUSM），RTWUSM是目前国内外应用和研究最多的电 机。后图为RTWUSM的基本结构分解图，定转子均为圆环形结 构。其中，转子同定子的接触面覆有一层特殊的摩擦材料，定 子上开有齿槽，定转子之间依靠蝶簧变形所产生的轴向压力紧 压在一起。
环形行波型超声波电机的结构
行波型超声波电动机结构
压电陶瓷（PZT）极化分布
定子振动原理
超声波电动机变频调速系统原理框图
压电传感器直接反馈频率控制原理图
超声波电机应用
超声波电机应用
超声波电机应用
赵淳生
某行波型超声波电机的典型结构
某行波型超声波电机运行原理图
超声波电机不同于电磁式电机，它具有以下特点：
（1）低速大转矩。超声波电机振动体的振动速度和摩擦传动机制决定了 它是一种低速电机，但它在实际运行时的转矩密度一般是电磁电机的10倍 以上。因此，超声波电机可直接带动执行机构，这是其它各类驱动控制装 置所无法达到的。由于系统去掉减速机构，这不仅减小体积、减轻重量、 提高效率，而且还能提高系统的控制精度、响应速度和刚度。 （2）无电磁噪声、电磁兼容性（EMC）好。超声波电机依靠摩擦驱动， 无磁极和绕组，工作时无电磁场产生，也不受外界电磁场及其他辐射源的 影响，非常适用在光学系统或超精密仪器上。 （3）动态响应快、控制特能好。超声波电机具有直流伺服电机类似的机 械特性（硬度大），但超声波电机的起动响应时间在毫秒级范围内，能够 以高达1kHz的频率进行定位调整，而且制动响应更快。 （4）断电自锁。超声波电机断电时由于定、转子间静摩擦力的作用，使 电机具有较大的静态保持力矩，实现自锁，省去制动闸保持力矩，简化定 位控制。 （5）运行无噪声。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，低速时产生大转矩，无齿轮减速机构，运行非常安静。 （6）微位移特性。超声波电机振动体的表面振幅一般为微米、亚微米， 甚至纳米数量级。在直接反馈系统中，位置分辨率高，较容易实现微米、 亚微米级、纳米级的微位移步进定位精度。