特种电机原理及应用第6章 超声波电动机

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。
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2 超声波电机的发展
超声波电动机的发展大体可分为以下三个阶段：
1. 探索阶段(1948年——20世纪70年代末) USM 原型出现
2. 实用化阶段(20世纪70年代末——80年代末) 商用USM 产品出现
3. 深层次研究(20世纪90年代——) 机理、材料、结构、驱动控制、应用 多样化
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1. 探索阶段(1948年——20世纪70年代末)
1）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。
转子为一个金属板。定子和转子在压力作用下紧密接触，为 了减少定、转子之间相对运动产生的磨损，通常在二者之间 (在转子上)加一层摩擦材料。
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工作原理：对极化后的压电陶瓷元件施加—定的高频交变电压， 压电陶瓷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。
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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，这两组驻波合成 一个沿定子弹性体圆周方 向行进的行波，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。
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4）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。
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2. 实用化阶段(20世纪70年代末——80年代末)
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，遗憾的源自文库，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。
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日本的T. Sashida在Vasiliev的研究基础上，于1980年提出并成功地 制造了一种驻波型超声波电动机。该电机使用Langevin激振器，驱动频率 为27.8 kHz，电输入功率为90W，机械输出功率为50W，输出扭矩为0.25Nm， 首次达到了能够满足实际应用的要求，但由于振动片与转子的接触是固定 在一个位置上，仍存在着接触表面上摩擦和磨损等问题。
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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。
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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。
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1.1 超声波电机的结构
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超声波电动机由定子(振动体)和转子(移动体)两部分组成
但电机中既没有线圈也没有永磁体，其定子由弹性体 (Elastic body)和压电陶瓷(Piezoelectric ceramic)构成
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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。到20世纪80年代中期日本已 形成三个系列的超声波电动机：即日立马克赛尔公司的驻波扭转耦合器系 列、松下电器公司的行波系列和新生公司的弯曲波模态系列。除日本外， Electro Mechanical Systems 公司也推出了英国第一个商用超声波电动 机系列产品——USR30。
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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。
超声波电动机
Ultrasonic Motor
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1 超声波电机的基本原理
超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称USM)
是近年来发展起来的一种全新概念的驱动装置，它 利用压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应)，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，故称为超声波电动 机。