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%。
图8-2 质点运动的轨迹
拨动，从而使转子连续不断的旋转。
8.2.2椭圆运动及其作用
椭圆运动的形成：在空间有两个相互垂直的振动位移 ux 和 uy ，均 由简谐运动形成，振动的角频率为 ，时间相位差为 ，振幅分 别为 x 和 y ，即有
u x x sin(t )
u y y sin(t )
2
8.2.2椭圆运动及其作用
椭圆运动 转速： 为振动的角 频率 转向： 由振动的相 角超前相转 向滞后相
2
0
2

2
2
椭圆度：
由振动振幅 的差值确定
0

2

2
图8-3 椭圆的形态
8.3 环形行波型超声波电机
8.3.1 电机的结构
8.4.1 速度控制方法
2. 频率控制 调节谐振点附近的频率可以调节电机的速度，频率控制对超声波电 动机最为合适。由于电机工作点在谐振点附近，因此调频具有响应 快的特点。另外，由于工作时谐振频率的漂移，要求有自动跟踪频 率变化的反馈回路。 3. 相位控制 改变两相电压的相位差，可以改变定子表面质点的椭圆运动轨迹， 从而改变电机的转速。这种控制方法的缺点是低速起动困难，驱动 电源设计较复杂。 在以上3种控制方式中，频率控制响应快、易于实现低速起动，应 用得最多。
8.4.2 驱动控制电路
驱动控制电路的功能是为超声波电机提供具有一定电压幅值，相位
的高频激励电压。电路框图如图8-10所示，它由信号发生电 2
差为
路、移相电路、功率放大电路、频率自动跟踪电路等组成。
图8-10 驱动控制电路框图
8.4.2 驱动控制电路
高频信号发生器：是驱动电路的核心，用来产生超声频率的信号。 产生的方法有：谐振电路、计算机控制的定时计数器、压控振荡电 路等。压控振荡器产生超声频率的信号，具有频率调节范围宽、分 辨率高等优点，而且压控振荡器的频率由输入电压控制，因此可以 不用A/D变换和计算机就可以实现闭环控制，比较常用。 移相器：使两相驱动电源具有要求的相位差。 功率放大器：使驱动信号满足电机的功率要求。 自动频率跟踪电路：自动频率跟踪电路主要由电压采样器和积分器 两部分组成。反馈电压采样器的功能是将内部传感器产生的反馈电 压采集进来，并转化为直流电压；积分器的功能是对给定电压信号 与反馈信号的差值做出反应，输出信号加到压控振荡器的输入端， 从而实现变频和自动频率跟踪的功能。
8.2 超声波电机的运动形成机理
8.2.1 压电效应简介 8.2.2 椭圆运动及其作用
8.2.1压电效应简介
压电效应是由法国的居里兄弟在1880年首先发现的。
正压电效应：对于晶体构造中不存在对称中心的异极晶体，
加在晶体上的应力，除了产生相应的应变以外，还在晶体 中诱发出介质极化或电场。
逆压电效应：若在晶体上施加电场，从而使该晶体产生电
w 0 cos(kx t )
沿 x 正向行进的行波。如何得到反向行波？
（8-6）
w 0 cos(kx t )
，取
8.3.2 电机的工作原理
2. 定子表面质点的运动轨迹
在定子的A区和B区施加对称激励电压时，在定子圆环表面的圆周上形
成行波，如图8-8所示。 设弹性体的厚度为h，取 h0
8.3.2 电机的工作原理
8.3.3转子的运动速度 8.3.4 电机的运行特性
8.3.1 电机的结构
环形行波型超声波电机，由定子和转子两大部分组成。以振动体 为主体的定子上开有齿槽，在定子不开槽的一面粘贴有压电陶瓷； 转子为一圆环；在定、转子接触的表面有一层特殊的摩擦材料， 如图8-4所示。
图8-4 环形超声波电机的定子和转子
vx max
2 2 A cos2 t B cos2 (t )
（8-14）
调速方法：改变激励电源的角频率、电压幅值（对应于驻波振幅） 和两相电源的相位差均可改变转子的运动速度。 1. 电压控制
改变电压幅值可以改变行波的振幅，从而改变转子速度，但实际中
很少采用。因为电压过低，压电元件有可能不起振；电压过高又会 提高元件的耐压要求，增加成本。
h 。 2
若弹性体表面任一点P在弹性体未 挠曲时的位置为P0，则从P0到P在 z方向的位移为
w h0 (1 cos )
0 cos(kx t )
从P0到P在x方向的位移为
（8-8）
图8-8 定子振动机理
h0 sin h0 h0 kh0 0 sin( kx t ) x
a）正面
b）反面
图8-6 压电陶瓷电极布置图
压电陶瓷环的周长为行 波波长的n倍，图中n=9 极化分区可组成三个电极，其中A区和B区表示驱动环形超声波电机的 两相电极，它们利用压电陶瓷的逆压电效应产生振动；而s区是传感器
区，它利用压电陶瓷的正压电效应产生反馈电压，该电压可实时反映
定子的振动情况，其反馈信号可用于控制驱动电源的输出频率。
圆旋转运动。当把转子压紧在弹性体表面时，在摩擦力的作用下，
转子就会转动起来。定子表面开槽，是为了加大定子接触部位的 振动速度，提高超声波电机的转换效率，改善电机的性能。
8.3.3转子的运动速度
由式（8-10）可知，在弹性体表面质点沿x方向的运动速度为
质点的运动速度是时间和空间的函数。在椭圆的最高点 ， （kx t =0 ）
wA A coskx cost wB B cos(kx ) cos(t )
两列驻波叠加可得
（8-ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）
（8-4）
w wA wB A coskx cost B cos(kx ) cos(t ) （8-5） 若 A B 0 ， ， ，则 2 2
8.1概述
2. 超声波电机的分类 按波的传播方式分类：行波型超声波电机； 驻波型超声波电机。 按转子的运动形式分：旋转型超声波电机； 直线型超声波电机。 按转子运动自由度分：单自由度超声波电机； 多自由度超声波电机。 按定转子接触情况分：接触式超声波电机；
非接触式超声波电机。
本章主要对旋转行波型超声波电机进行分析。
极化，则晶体也将同时出现应变和应力。 正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。
超声波电机就是利用逆压电效应进行工作的。
8.2 超声波电机的运动形成机理
在图8-1中，压电材料的极化方向如空心箭头所示，当压电材料
的上下表面施加正向电压，即在材料表面形成上正下负的电场，
则压电材料在长度方面伸张、厚度方面收缩。反之，若在该压电 材料上下表面施加反向电场，则会在长度方向收缩、厚度方向伸
从式（8-1）中消去时间 t ，则
2 ux
（8-1）
x2

2uxuy
x y
cos
2 uy
y2
sin 2
（8-2）
n (n 0， 1 ， 2， ) 时，两个位移为同相运动，合成轨迹为一直线； n n 时，其轨迹为一椭圆； 时，轨迹为规则椭圆。
（8-10）
8.3.2 电机的工作原理
弹性体表面任一质点P的运动方程
2 2 1 2 2 0 (kh00 )
（8-11）
该式表明，弹性体表面任意一点 P 按照椭圆轨迹运动，这种运动
使弹性体表面质点对移动体产生一种驱动力，且移动体的运动方
向与行波方向相反。 如果把弹性体制成环形结构，当弹性体受到压电陶瓷振动激励产 生逆时针转向的弯曲行波时，它表面的质点呈现顺时针方向的椭
第8章 超声波电机
8.1 概述 8.2 超声波电机的运动形成机理 8.3 环形行波型超声波电机
8.4 行波型超声波电机的驱动与控制
8.5 其他类型的超声波电机 8.6 超声波电机的应用
8.1概述
超声波电机是利用压电材料 (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为运动体的回转 或直线运动的新型驱动电机。电机驱动电源的频率一般高于 20kHz， 已超出入耳所能采集到的声波范围，因此称为超声波电机。 超声波电机是典型的机电一体化产品。虽然仅有三十多年的发明和 发展历史，已在航空航天、机器人、精密仪器、医疗设备等诸多领 域已得到了很好的应用。目前仍是国内外开发研究的热点。 1. 超声波电机的特点 （1）低速大转矩。（2）无电磁噪声，电磁兼容性好。（3）响应 快、控制特性好。（4）断电自锁。（5）运行噪声小。（6）结构 形式多样。（7）摩擦损耗大，效率低。（8）寿命短。
8.3.2 电机的工作原理
1. 定子行波的产生
由于压电陶瓷相邻分区
的极化方向相反，在共 振频率的交流电压激励
下，相邻极化区将会分
别伸张和收缩，从而在 定子弹性体中激励出弯
曲振动。
图8-7 定子行波的产生 a）定子弯曲振动激励 b）驻波合成行波机理
、
8.3.2 电机的工作原理
设A区和B区的驻波振动分别为
图8-5 环形超声波电机转配图
8.3.1 电机的结构
图中的阴影区域为未敷银或对 应部分的敷银层已经被磨去的 小分区，它把压电陶瓷的上下 极板分隔成不同的区域。图8-6 a ）中相邻两个压电分区的极 化 方 向 相 反 ， 分 别 以 “ +” 和 “ -”表示，在电压激励下一段 收缩，另一段伸长，构成一个 波长的弹性波。
vx kh00 cos( kx t ) t
（8-12）
z 轴方向的位移最大，x 方向的位移等于0。x方向的最大速度为
vxmax kh00
（8-13）
“-”表示弹性体表面质点运动方向与行波行进方向相反。 若定、转子之间没有滑动，且转子表面与定子振动波形相切，则转 子速度就等于椭圆最高点的运动速度。 实际上，定子与转子表面的滑动总是存在的，因此电机转子的实际 速度总是小于最大速度。
张。
当在压电体表面施加交变电场时，压电 体中就会激发出某种模态的弹性振动。 当外加电场的交变频率与压电体的机械 谐振频率相同时，压电体就进入谐振状 态，称为压电振子。当振动频率高于
图8-1 逆压电效应示意图
20kHz时，就属于超声振动。
8.2.2椭圆运动及其作用
超声波电机的工作原理：以图 8-2 所示的 电机的转向是由椭圆 运动的转向决定的。
8.5 其他类型的超声波电机
8.5.1 驻波超声波电机 8.5.2 直线型超声波电机 8.5.3 多自由度超声波电机 8.5.4 非接触型超声波电机
8.5.1 驻波超声波电机
对于驻波超声波电机，在定子中激励的是单纯驻波振动，质点做往 复直线运动，通过转换装置或与其他运动组合，把往复直线运动转 换为椭圆运动，最后驱动转子旋转。