超声波电动机
超声波电机等效电路
超声波电机等效电路介绍超声波电机是一种利用超声波技术驱动电机运动的装置，它能够实现高效、精准的动力传输。
超声波电机利用超声波振动产生电磁感应，从而驱动电机运动。
为了更好地了解超声波电机的工作原理和性能，需要进行等效电路建模。
等效电路模型超声波电机可以用等效电路模型来描述，这有助于我们更好地理解其工作原理和性能。
超声波电机的等效电路模型一般包括以下几个部分：1. 激励电源激励电源为超声波电机提供动力驱动。
它可以是直流电源、交流电源或其他形式的能量输入。
2. 超声波振荡器超声波振荡器是超声波电机的核心部件，它通过产生超声波振动，实现与电机之间的能量转换。
超声波振荡器可以采用压电材料或磁致伸缩材料。
3. 电磁感应装置超声波电机通过电磁感应装置将超声波振动转换为电磁力，从而驱动电机运动。
电磁感应装置一般由线圈和磁铁组成。
4. 电机电机是超声波电机的输出部件，它将电磁力转换为机械运动。
电机可以是直流电机、交流电机或其他类型的电机。
超声波电机的等效电路模型基于以上几个部分，可以建立超声波电机的等效电路模型。
其主要包括以下几个元件：1. 电源模型超声波电机所采用的电源可以用电源模型来描述。
对于直流电源，可以将其视为恒定电压源；对于交流电源，可以视为交流电压源。
电源模型可以用符号表示，如下所示：------|+|------V | ||-|其中，V表示电源的电压。
2. 振荡器模型超声波电机的振荡器可以用振荡器模型来描述。
振荡器模型包括一个表示振荡频率的元件，并与电源模型相连。
振荡器模型可以用符号表示，如下所示：--------|+|-----------------|+|--------| | | ||-| f |-|| |--------- ----------其中，f表示振荡频率。
3. 电磁感应装置模型超声波电机的电磁感应装置可以用电感和电阻模型来描述。
电感模型表示电磁感应装置的电感特性，电阻模型表示电磁感应装置的电阻特性。
什么叫超声波电动机
什么叫超声波电动机？2009年10月14日超声波电动机是20世纪末发展起来的一种新的微型驱动电机，它的基本结构及工作原理与传统电机完全不同，没有绕组和磁路，不以电磁相互作用来传递能量，而是基于压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应)，利用超声波振动来实现机电能量转换。
由于这种新型电机的工作频率一般在20kHz以上，因此称为超声波电机。
超声波电机打破了传统电机必须由电磁效应产生转矩和转速的固有概念。
与电磁式电机相比．超声波电机具有以下特点：(1)体积小，重量轻。
超声波电机不用线圈，没有绕组和磁路，结构简单、紧凑，与电磁式电机相比，在输出转矩相同的情况下，可以做得更小、更轻、更薄。
超声波电机的转矩密度一般为电磁式电机的几倍到十几倍。
(2)低速大转矩。
超声波电机的最大优点在于它能以极低的速度运行．很容易做到每分钟几十转(甚至更低)，并且能保持大转矩的输出。
这样就无需齿轮减速机构，可实现对较大负载的直接驱动。
(3)响应迅速，控制特性好。
超声波电机转子的质量较轻，惯性小，响应速度快，起动和制动的时间均为毫秒级，因此可以实现高精度的速度控制和位置控制。
(4)有断电自锁功能。
由于超声波电动机是依靠定、转子间的摩擦力驱动的，因此定、转子间必须施加一定的轴向压力，以便将压电振子的振动转换为转子的旋转。
这样当切断电源时·由于静摩擦力的作用，转子便可自锁。
(5)与外界无相互电磁干扰。
超声波电机无需励磁．因此它不受外界电磁场的影响。
同时，它对外界也不会产生电磁干扰，特别适合于强磁场的工作环境。
(6)结构形式多样化。
由于超声波电机是将压电振子的机械能通过定、转子之间的摩擦传递给转子，转子可以做旋转运动，也可以做直线运动(这时应称为动子)．因此转子运动的自由度较大，其结构设计的自由度也较大，可适应不同应用场合的需要。
超声波电动机是典型的机电一体化产品，它涉及电机学、振动学、摩擦学、功能材料、电子技术、自动控制技术和检测技术多门学科，虽然它的发明和发展仅有二十多年的历史，但在航空航天、机器人、精密仪器、医疗设备等诸多领域已得到很好的应用，目前仍是国内外研究和开发的热点。
超声波电机
电机学超声波电机2012年11月20日简介超声波电机（Ultrasonic Motor，简称USM）是20世纪80年代中期发展起来的一种全新概念的新型驱动装置。
超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应——在交变电场作用下，陶瓷会产生伸缩的现象——直接将电能转变成机械能，这种电机的工作频率一般在20kHz以上，故称为压电超声波电机。
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。
超声波电机实物图如下：一．发展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。
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。
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。
4）1969 年，英国Salfod 大学的两名教授介绍了一种伺服压电电机，这种电机采用二片式压电体结构，其速度、运动形式和方向都可以任意变化，响应速度也是传统结构电机所不能及的。
超声波电机
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。
超声波电动机的简介
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。
超声波电动机简介
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。
超声波电动机简介
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。
超声波电动机的简介
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。
超声波电动机的简介
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。
超声波电动机简介
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。
超声波电动机简介
超声波电动机的应用
超声波电动机的简介
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。
超声波电动机发展现状及应用
０引 言
传 统 电磁式 电机是 依据 电磁感 应定 律 和 电磁 力
１超声波 电动机的基本原理及基本结构
超声 波 电动机 利用压 电材 料 的逆压 电效 应将 高 频 的 电能转化 成定 子 的高 频机 械振 动 能 量 ， 定 子 使 达 到机械 共振 状态 ， 然后 通 过 定 子 和转 子 之 间 的摩 擦 力驱 动转 子运动 … 。 图 １是 超 声 波 电动 机 基 本 结 构 ， 由壳 体 、 它 轴 承、 转子 、 子 、 簧 、 电陶瓷等组 成 。与传 统 电机 定 蝶 压 的最重要 的区别在 于 电机 中既没有 线 圈也没 有永 磁
矩， 具有无 电磁 干 扰 、 应迅 速 等 特 点 ， 响 因而迅 速发
超 声 波
体， 其定子 由弹性体和压电陶瓷构成 ， 转子由金属板
－
ｅ ｄ ａ ｅ ｓ Ｔ ｅ ｂ ｓｃ ｐ ｎ ｉ ｌ ｆｕ ｔ ｓ ｎ ｃ ｍｏｏ ｓ ａ ｄ ｓ ｃ ｕ ｅ ｗ ｒ ｅ ｃ ｂ ｄ Ｔ ｅ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｒ ｓ ｅ ｔ ， ｄ ａ ｔｇ ｓ ｎ ｒ ａ ． ｈ ａ ｉ ｒ ｃｐ ｅ ｏ ｌ ａ ｏ ｉ ｉ ｒ ｔｒ ｎ ｔ ｔ ｒ ｅ ｅ ｄ ｓ ｒ ｅ ． ｈ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｐ ｏ ｐ ｃｓ ａ ｖ ｎａ ｅ ｕ ｒ ｉ
及 质 量 、 积等 局 限性 ， 难 满 足 这些 特 殊 的需 要 。 体 很
随着压电陶瓷等材料的发展 ， 超声波 电动机作 为一 种全新概念 的新型电机在 ２ 世纪 ８ ０ ０年代开始发展 起来 ， 它利 用压 电材 料 的逆 压 电效应 ， 在超 声频 率段
内使 定子 发生 振动 ， 在通过 定 、 转子 间的摩 擦获 得扭
定律实现机 电能量转换 和信号传递与转换 的装置。 传统电磁式 电机在理论 、 设计 、 制造方法以及控制技
超声波电动机
人耳能感知的声音频率，约为50Hz ～20kHz之范围，因此超声波为20kHz 以上频率之音波或机械振动。超声波电 动机与传统的电磁式电动机不同,它是 利用压电陶瓷的逆压电效应，将超声振 动作为动力源的一种新型电动机，其外 形如图所示。
利用电压源驱动，发生向右方向传播的进行波 (顺转)。 B相利用电压 源进行波方向为向左传播的进行波(逆转)。下图为单压电芯片型超声波 电动机等效电路图。
二、超声波电动机的特点及应用
1. 超声波电动机的特点
（1）低速大转矩、效率高。 （2）控制性能好、反应速度快。 （3）形式灵活，设计自由度大。 （4）不会产生电磁干扰。 （5）结构简单。 （6）震动小、噪音低。
2. 超声波电动机工作原理 超声波电动机的工作是在极化的压电晶体上施加超声波频率的交
流电，压电晶体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。
2. 超声波电动机工作原理 当使用振动材质为压电陶瓷，两个电压源以适当的间隔配置。A相
一、超声波电动机的结构和工作原理
1.超声波电动机的结构 超声波电动机一般由定子（振动部分）和
转子（移动部分）两部分组成，如图所示。该 电动机中既没有线圈也没有永磁体，其定子是 由压电晶体、弹性体(或热运动器件)、电极构 成的；转子为一个金属板，转子均带有压紧用 部件，加压于压电晶体上，定子和转子在压力 作用下紧密接触。为了减少定子、转子之间相 对运动产生的磨损，通常在两者之间(在转子 上)加一层摩擦材料。
2. 超声波电动机的应用
由于超声波电动机具有电磁电动机所不具备的许多特点，尽管 它的发明与发展仅有二十多年的历史，但超声波电动机已在照相机 的自动变焦镜头、微型飞行器、电子束发生器、智能机器人、焊接 机、轿车电气控制设备、航空航天工程、医疗理分析 2. 超声波电动机的特点和应用
超声波电机在医疗领域的应用
超声波电机在医疗领域的应用摘要：本文主要介绍了一种利用逆压电效应获得驱动力的的新型电机——超声波电机。
通过说明超声波电机的特定优点及工作原理，分析并展望了超声波电机在医疗领域等方面的应用。
关键词：超声波电机；医疗领域；注射器；内窥镜探头；多自由度关节1 引言超声波电动机是一种借助摩擦传递弹性超声波振动来获得驱动力的新型电机，和传统的电磁式电机的工作机理不同，超声波电机内部没有线圈和磁体，不需要通过电磁作用产生驱动力，这使其它具有低速大转矩、体积小、重量轻、无电磁干扰、响应速度快、运行时无噪声、断电自锁等特定优点。
上个世纪八十年代，日本的指田年生首次提出并制造出了一种可应用的驻波型超声波电机。
继而，国内外开始投入了很多力量对超声波电机进行应用研究。
在过去的几十年里，医疗领域是微电机技术应用最具代表性的领域之一，超声波电机在医疗领域的应用研究也一直都是焦点。
人们利用微型超声波电机攻克了一些医疗领域的技术难题。
2 超声波电机的原理2.1压电效应一般在电场作用下，某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形，带电粒子发生极化，某些介质也可以在纯机械应力作用下发生极化，并同时在两端表面内出现正负相反的电荷，这种现象称为正压电效应；反之，将电介质置于外电场中，在电场的作用下，这些介质会发生位移，随之电介质发生形变，当电场去掉后变形也消失，这种现象称为逆压电效应，也叫电致伸缩效应。
正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。
2.2超声波电机的工作原理超声波电机是基于压电材料的逆压电效应或电致伸缩效应使其电机定子产生微观机械振动，从而使用定子表面质点形成椭圆运动，然后通过定子和转子之间的摩檫力，将电能转换为机械能输出，从而驱动转子的运动。
超声波电机内部结构一般由振动体（定子）和移动体（转子）组成，振动体由压电陶瓷和金属弹性材料组成，移动体有弹性体和摩擦材料等组成。
3 医疗领域的发展随着我国经济的发展和人民生活的改善，医疗服务的需求逐步增加，我国的医疗领域技术也面临着新的挑战。
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%。
第十章 超声波电机
压电材料的应变
10.超声波电动机
2.椭圆运动及其作用
逆压电效应 压电振子 (定子) 多点激励 振动行波 振动驻波 扭转振动 伸缩振动 弯曲振动 椭圆运动 转子旋转或移动
质点运动轨迹
椭圆运动的作用
10.超声波电动机
有二个空间相互垂直的振动位移ux和uy，均是由简谐振动形成的， 振动角频率为，振幅分别为 x 和 y ，时间相位差为
相位差
非线性，不易实 现低速起动，有 死区，实现电路 较复杂
电压 幅值
两相电压 幅值相等
改变行波振幅
特性线性度好， 调节范围小，低 实现电路较简 速时转矩小，有 单 死区
10.超声波电动机
五、行波型超声波电机的驱动电路
驱动电路 电源
高频信号 发生器
移相器
相 位 检 测 超声波 电机
频率自动跟踪电路
超声波电动机几种控制方法的比较控制变量控制方法说明优点缺点频率通过调节谐振点附近频率控制转矩与转速响应快易于实现低速起动电路简单非线性相位差改变定子表面质点椭圆运动轨迹可控制电机转向非线性不易实现低速起动有死区实现电路较复杂电压幅值两相电压幅值相等改变行波振幅特性线性度好实现电路较简单调节范围小低速时转矩小有死区10
驱动电路框图
10.超声波电动机
六、其它类型超声波电机
1.驻波型超声波电机
楔形超声波电机
振子产生纵向振动，转子的倾斜产 生切向运动，二者合成椭圆运动。
10.超声波电动机
六、其它类型超声波电机
1.驻波型超声波电机
纵-扭复合型超声波电机
纵振子实现定转子间的接 触；扭振子使定子的上端 面质点产生椭圆运动。
10.超声波电动机
六、其它类型超声波电机
超声波电动机技术创新点的设定
超声波电动机技术创新点的设定
超声波电动机是一种基于超声波共振效应的电动机，其特点是高效、高精度、低噪音等。
要在超声波电动机技术上实现创新，可以从以下几个方面进行设定：
1.新型材料应用。
超声波电动机在实际应用中对材料的特性和品质要求非常高，因此可以探索和研发新型材料，比如新型陶瓷材料，提高电机的效率和性能。
2.探索新型结构。
超声波电动机的结构设计对其性能影响很大，可以尝试使用新型的结构设计，比如改变振动模式，增加谐振腔等，提高超声波电动机的转速和效率。
3.优化控制系统。
超声波电动机的控制系统对其性能和精度也有很大的影响，可以通过探索新的控制算法和方法，提高控制系统的响应速度和稳定性，从而提高超声波电动机的性能和精度。
4.应用人工智能技术。
人工智能技术在工业应用中得到了广泛的应用，可以尝试将人工智能技术应用到超声波电动机中，通过学习和优化算法，提高电机的效率和性能，实现更加智能化的控制。
5.探索新的应用场景。
超声波电动机在不同的应用场景下性能要求不同，可以探索新的应用场景，如航空航天、医疗设备等领域，从而推动超声波电动机技术的进一步发展和创新。
超声波电机的发展及应用
超声波电机的发展及应用1.超声波电动机原理超声波电动机(Ultrasonic Motor缩写USM)是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器。
是国外近20年发展起来的一种新型电机。
与传统的电机不同，超声波电机无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。
一般由振动体(相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成)和移动体(相当于传统电机中的转子，由弹性体和摩擦材料及塑料等制成)组成。
在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使定子在超声频段(频率为20KHZ以上)产生微观机械振动。
并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动。
逆压电效应能够在振动体内激发出几十千赫的超声波振动 ,使振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率的微观振动(振幅一般为数微米) ,如椭圆、李萨如轨迹等 ,该微观振动通过振动体和移动体之间的摩擦作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。
因此 ,超声波电机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。
近几年发展出了多种超声波电机，如环形行波USM、步进USM、多自由度USM等，且行波型USM 已有较成熟的设计。
下面来说明一下行波型USM的原理。
行波型USM要旋转，需要具备两个条件：与转子相接触的定子表面质点须做椭圆运动 ,定子、转子之间的接触面须有摩擦力。
图 1 中的弹性体为定子 ,其上部为转子 ,定子、转子间夹一层摩擦材料。
摩擦材料一般粘接在转子表面上。
利用电能激励压电陶瓷复合振子 ,使之产生超声振动 ,并在弹性体内产生行波。
当电信号频率调整到与定子(弹性体) 的机械共振频率一致时 , 定子的振动幅度最大 , 并形成行波。
在行波的弯曲传播过程中 ,定子表面的质点就会形成椭圆振动轨迹。
当无数个这样的粒子都以同相位振动时 ,就会在定子表面形成力矩 ,力矩方向与行波传播方向相反。
该力矩依靠定子、转子间的摩擦力驱动转子运动。
超声波电机
它的基本构成是振动部件和运动部件， 它的基本构成是振动部件和运动部件，不存在绕组和磁场 部件（如铁心、磁钢等），简单。 部件（如铁心、磁钢等），简单。 ），简单 单位体积转矩大,与相同结构十分体积的电磁原理电动机 单位体积转矩大 与相同结构十分体积的电磁原理电动机 比较，额定力矩是它的10倍。 比较，额定力矩是它的 倍 不需要减速齿轮就可以将转速调节至零。 不需要减速齿轮就可以将转速调节至零。 在低速下可直接输出大转矩，电动机可控性能优良。 在低速下可直接输出大转矩，电动机可控性能优良。 制动转矩下，不需要附加制动器。 制动转矩下，不需要附加制动器。 内动力大，响应性能好，机械时间常数小（ 内动力大，响应性能好，机械时间常数小（1ms）。 ）。 在可听范围内，运转安静，不产生电磁噪声。 在可听范围内，运转安静，不产生电磁噪声。 电动机既不受外界磁场影响，也不产生杂散磁场。 电动机既不受外界磁场影响，也不产生杂散磁场。 按使用要求，可设计成需要的结构和形状。 按使用要求，可设计成需要的结构和形状。
1.优点 优点
它突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不 用电磁相互作用来转换能量，而是利用压电陶瓷的逆 压电效应、超声振动和摩擦耦合（接触型）来转换能 量。 与法拉第电磁式电机相比，超声波电机有如下的几个 突出优点：安静，污染小；定位精度高；调焦时间短； 无齿轮减速机构，可直接驱动负载，结构简单；能量 密度大；低转速，大转矩；体积小，重量轻；不产生， 也不受电磁干扰，不怕辐射；起动，停止响应快，响 应时间小于ms。特别是它具有重量轻、结构简单、噪 声小、低速大扭矩以及可直接驱动负载等特性。 它不需要齿轮变速机构来降低转速，避免了使用齿轮 变速机构而产生的振动、冲击与噪声等问题。可以说， 超声电机技术是处于当今世界高新技术之一
超声波电动机
特种电机及其控制
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第6章 超声波电动机
3 超声波电动机的优点及其应用
超声波电动机将电致伸缩、超声振动、波动原理这些毫不相干的概念与 电机联系在一起，创造出一种完全新型的电动机。
(1) 低速大转矩: 在超声波电机中，超声振动的振幅一般不超过几微
米，振动速度只有几厘米每秒到几米每秒。无滑动时转子的速度由振动 速度决定，因此电机的转速一般很低，每分钟只有十几转到几百转。由 于定子和转子间靠摩擦力传动，若两者之间的压力足够大，转矩就很大。
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。
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。 4）1969 年，英国Salfod 大学的两名教授介绍了一种伺服压电电机，这种电 机采用二片式压电体结构，其速度、运动形式和方向都可以任意变化，响 应速度也是传统结构电机所不能及的。 5）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。
第6章 超声波电动机
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(Standing Wave)，这两组驻波合成一个沿定子 弹性体圆周方向行进的行波(Progressive Wave/Travelling Wave)，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。
第09章-超声波电动机
（3）相位差控制
改变两相激振电压的相位差可以改变定子弹性体表 面质点的椭圆运动轨迹，从而改变电动机的转速。这种 方案的优点是可以方便地控制电动机的转向，但缺点是 低速起动困难，并且实现电路较为复杂。
-28-
第九章 超声波电动机 二、驱动控制电路
超声波电动机利用摩擦传动，定、转子间的滑动情
况不能完全确定。因此，要实现对超声波电动机转速的 精确控制，必须采用闭环控制系统。
频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机
械谐振状态，成为压电振子。 当振动频率在20kHz以上 时，就属于超声振动。
图9-2 逆压电效应示意图
-8-
第九章 超声波电动机 二、椭圆运动及其作用 超声振动是超声波电动
转子
机工作的最基本条件，起驱
动源的作用。但是，并不是 任意超声振动都具有驱动作 用， 它必须具备一定的形 态，即振动位移的轨迹是一
u y ( x, t ) cos( 2π x 0t )
（9-6）
设弹性体的厚度为h，则P点的横向振动位移为
h y ( x, t ) πh 2π u x ( x, t ) sin( x 0 t ) （9-7） 2 x
-19-
第九章 超声波电动机
由以上两式，得
圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决定了 定子对转子的拨动方向，所以也就决定了超声波电动机 的转子转向。
-12-
第九章 超声波电动机 三、行波的形成及特点 上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个 质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载， 而 应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋 根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间 和空间均相差π/2的两相驻波叠加后，将形成一个合成 行波。
超声波电动机驱动控制综述
蔓 壁 … 塑 童
… …… … …… … …… … …… … …
一…
超 声 波 电动 机 驱 动控 制综 述
罗辞勇 ， 张 帆， 斌 ， 卢 肖发福
（ 重庆大学 ， 重庆 ４０ ４ ） ０ ０４
摘
要： 超声 波电动机 的发展 和应用离不开超声 波电动机 的驱 动控 制技术 ， 且在很大 的程度上驱 动器的性能 并
并且在 ０～ ８％范围连续可调 的驱动信号。 １０ （ ）可实现正反转。 ４ （ ）由于超声波 电动机为容性负载 ， ５ 驱动器需
要进 行 阻抗 匹配 。
的工作原理是利用压电材料 的逆压电效应 ， 对定子 上的压电陶瓷元件施加一定功率超声频段的交流信 号激发其微 幅振动 ， 再通过定子和转子之间的摩擦
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微特电机课程论文超声波电动机
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摘要：超声波电机是一个机电耦合系统，涉及到振动学、摩擦学、材料学、电力电子技术、自动控制技术和实验技术等。
超声波电动机利用压电材料的逆压电特性，激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动。
与传统电机相比，它具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，是一项跨学科的高新技术。
近几年来超声波电动机已成为国内外在微型电机方面的研究热点。
超声波电机（Ultrasonic Motor，简称USM）是20世纪80年代中期发展起来的一种全新概念的新型驱动装置。
超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应——在交变电场作用下，陶瓷会产生伸缩的现象——直接将电能转变成机械能，这种电机的工作频率一般在20kHz以上，故称为压电超声波电机。
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。
关键字：超声波电机、逆压电效应、机械振动、高新技术。
0引言
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。
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。
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。
1969 年，英国Salfod 大学的两名教授介绍了一种伺服压电电机，这种电机采用二片式压电体结构，其速度、运动形式和方向都可以任意变化，响应速度也是传统结构电机所不能及的。
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。
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，遗憾的是，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。
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。
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。
1 超声波电机工作原理
超声学科结合的新技术。
超声电机不像传统的电机那样，利用电磁的交叉力来获得其运动和力矩。
超声电机则是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。
二、超声波电动机的分类。
2超声波电机的特点
（1）超声电机可以得到较低转速，因此输出力矩较大，可以省去减速机构直接带动负载。
（2）因为超声电机不使用电磁场作为驱动力，因此电磁辐射小。
许多情况下，不希望有电机产生强电磁干扰，或者在强磁场环境中，电磁电机的正常工作会受到影响，而超声电机不需要做太多的电磁屏蔽处理就可以在这些条件下工作。
（3）超声电机依靠定、转子之间的接触摩擦作为驱动方式，关闭电源后转子就会马上停止，并在摩擦力的作用下固定不动
（4）超声电机的响应时间较短，一般在十几毫秒以内。
（5）超声电机没有电磁线圈，可以不用铜材，节省原料造价。
（6）超声电机的转速可以通过改变驱动频率进行调节，比较灵活。
（7）超声电机在很小尺寸上都可以有效工作。
3超声波电机的分类
3.1.1环状或盘式行波型超声波电动机
图3-1
由底部粘接着压电陶瓷元件的环状定子和环状转子构成。
对极化后的压电陶瓷元件施加—定的高频交变电压，在定子弹性体中形成沿圆周方向的弯曲行波。
对定、转子施加一定的预压力，转子受到与行波传播方向相反的摩擦力作用而连续转动，定子上的齿槽用于改善电机的工作性能。
3.1.2 直线式行波型超声波电动机
（1）双Langevin振子型：利用两个Langevin压电换能器，分别作为激振器和吸振器，当吸振器能很好地吸收激振器端传来的振动波时，有限长直梁似乎变成了—根半无限长梁，这时，在直梁中形成单向行波，驱动滑块作直线运动。
当互换激振器与吸振器的位置时，形成反向行波，实现反向运动。