超声波电机.

超声波电动机的简介


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。
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压力弹簧 转动环 摩擦材料 弹性体 压电陶瓷
] ]
转子
定子
机壳 轴承 转轴
图13-32 超声波电动机的基本结构
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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。


由于超声波电机运行噪声很低，因此适合于办 公场所、医院、宾馆、剧院、图书馆等对噪声 低有特别要求的场合，如某些地方将超声波电 机作为窗子上的窗帘机的驱动元件。 超声波电机在核磁共振装置中的应用。由于电 机对外界磁场不敏感，在有磁场干扰时仍能正 常工作，非常适合作为核磁共振装置中某些设 备的驱动源。如西门子旭医疗器械公司把三个 超声波电机用在核磁共振装置的线圈调整装置 上，用来微调附属于线圈上的调整用电容器容 量。
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超声波电动机的发展趋势
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超声波电机存在的问题



控制困难 : 由于压电材料的特殊性、摩擦发热和环境 变化等问题，驱动转子的摩擦力将产生严重的非线性 变化。这种变化使控制电机匀速转动的难度大大增加。 此外，由于压电材料的特殊性，使得每一台超声波电 动机所需要的驱动电源都不相同，这样，电机和电源 必须一一配套，不利于大规模生产。 寿命较短 : 超声波电机的寿命大约 2000 小时，与传统 电机相比，长时间工作的耐久性不尽人意。 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。
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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。
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超声波电动机的应用
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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。
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日本佳能公司从1982年起开始研究将 超声波电机应用到照相机的镜头调焦 中，至1987年，成功地将超声波电机 应用到EOS系列照相机的镜头中，下 图所示为使用了环形超声波电机的相 机。 与采用电磁型电机的镜头相比，使用 超声波电机的镜头有静音、定位精度 高、调焦时间短、无齿轮减速机构等 特点，性能较为优良。

工作原理
压力弹簧 转动环 摩擦材料 弹性体 压电陶瓷

2
+
E2
图13-33 压电陶瓷环的电极配置
] ]
转子
定子
机壳 轴承 转轴
图13-32 超声波电动机的基本结构
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由于超声波电机的驱动机理不同于传统 的电磁式电机，因而具有磁式电机所不 具有的一些特点，主要有：
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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。 由于电机系统省去的减速机构，这不仅减 小了体积、重量，而且提高了系统的控制精度 和响应速度。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。 目前，超声波电机主要应用在不需要连续工作的场合， 比如照相机的聚焦系统，其累计寿命只需要十多个小 时；汽车门窗开关和座椅头靠调整装置，累计工作时 间需要伍百小时。但在许多应用场合中，这样的工作 寿命满足不了实际的需要，因此研究新型摩擦材料和 压电材料显得尤为重要。为此，世界各国都在研制性 能更优越的摩擦材料，以提高超声波电机的使用寿命。
Hale Waihona Puke Baidu
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超声波电机应用于微 位移驱动装置，即微 位移超声波电机，此 电机适用于微小位移 运动，能以纳米级位 移驱动。可用于电子 显微镜或者扫描隧道 显微镜，以及用来做 光栅衍射刻线、干涉 光谱仪扫描、天体星 座图象分析和检测、 高精度位移检测及分 子测量设备中，如下 图所示。
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按照驱动转子运动的机理可分为驻波型和行波
型两种。驻波型是利用与压电材料相连的弹性
体内激发的驻波来推动转子运动，属间断驱动
方式；行波型则是在弹性体内产生单向的行波，
利用行波表面质点的振动轨迹来传递能量，属
连续驱动方式。

4
A相
+
-
S
+
+
-
B相
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E1
+
+
+
+
GND
3 4
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2. 电磁式电机在外界强磁场的影响下不 能正常工作，它所产生的磁场也会影响周围某 些对磁敏感设备的正常运行。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。
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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。