超声波电动机

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dy 2 2 0 cos x 0t dx
所以
2 x 0 cos x 0t h
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第6章 超声波电动机
B.弹性体表面的椭圆运动
y x 1 0 0 h
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第6章 超声波电动机
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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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。
y 0 cos
2

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x cos 0 t
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第6章 超声波电动机
A.行波的形成 2) 两驻波行波
设A、B两个驻波的振幅同为0,二者在时间和空间上分别相 差90,方程分别为
y A 0 sin
2

x sin 0 t
y B 0 cos
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第6章 超声波电动机
1.2
A. 行波的形成
1) 高频电压驻波
USM的工作原理
将极化方向相反的压电陶瓷依 次粘贴于弹性体上,当在压电 陶瓷上施加交变电压时,压电 陶瓷会产生交替伸缩变形,在 一定的频率和电压条件下,弹 性体上会产生图示的驻波,用 方程表示为
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第6章 超声波电动机
1.1 超声波电动机的结构
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第6章 超声波电动机
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 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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第6章 超声波电动机
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。
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第6章 超声波电动机
3. 深层次研究(20世纪90年代——) 在20世纪80年代,国外的研究工作主要集中在研究新的驱动机理、构造新 的结构形式、开发新型电机等方面,着重于动力传输的实现,尚未能顾及 到性能的改善。由于对超声波电动机的基础理论研究得不够透彻,没有形 成完整的设计理论,使超声波电动机的研究带有一定程度的盲目性。直到 90年代后,超声波电动机的建模、性能预测等理论问题才开始引起关注, 但至今尚无系统的论述。 目前,世界各国对超声波电动机的研究极为活跃,超声波电动机的研究趋 向多元化。例如,美国利用其先进的材料和IC工艺研制出的微型超声波电 动机,其尺寸仅有数百微米(250m500m2m),驱动电压的典型值是5V, 最低为1.5V,转速为150r/min。而大型超声波电动机的扭矩达400Nm。
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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

x cos 0 t
在弹性体中,这两个驻波的合成为一行波
2 y y A y B 0 cos x 0t
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第6章 超声波电动机
A.行波的形成 3) 在USM中形成行波
USM的定子由环形弹性体和环形压 电陶瓷构成,压电陶瓷按图示的 规律极化,即可产生两个在时间 和空间上都相差90的驻波。 极化规律:将一片压电陶瓷环极化为A、B两相区,两相区之间 有/4的区域未极化,用作控制电源反馈信号的传感器,另有 3/4波长的区域作为两相区的公共区。极化时,每隔1/2波长反 向极化,极化方向为厚度方向。图中“+”“”代表压电片的极 化方向相反,两组压电片空间相差/4,相当于90,分别通以 同频、等幅、相位相差为90的超声频域的交流信号,这样两 相区的两组压电体就在时间与空间上获得90相位差的激振。
2 2
弹性体表面上任意一点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。
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第6章 超声波电动机
C.USM的调速方法
弹性体表面质点的横向运动速度为
d x h 2 vp 0 0 sin x 0t dt
由于行波的振幅比行波的波长小得多,弹性体弯曲的角度 很小,故y方向 的位移近似为
2 y 0 sin x 0t
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第6章 超声波电动机
B.弹性体表面的椭圆运动
从P0到P在x方向的位移为 又
h h x sin 2 2
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第6章 超声波电动机
1 超声波电动机的基本原理 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。
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第6章 超声波电动机
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。
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。
横向速度在行波的波峰和波谷处最大。若假设在弹性体与移动体接触处的 滑动为零,则移动体的运动速度与波峰处质点横向速度相同。其最大速度 为
vmax
h 0 0 2 f 0 v
2 2
h
V——行波在定子中的传播速度 f ——电机的激振频率
调节激振频率可以调节电机的转速,但是有非线性。在保持 两相驻波等幅的前提下,若忽略压电陶瓷的应变随激励电压 的非线性,改变驻波的振幅0,即调节压电陶瓷的激振电压, 可以做到线性调速,这是调压调速的一大优点。
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第6章 超声波电动机
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。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。
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。
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。
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第6章 超声波电动机
B.弹性体表面的椭圆运动
设弹性体厚度为h。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y方向的位移为
2 h y 0 sin x 0t (1 cos ) 2
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第6章 超声波电动机
2
超声波电动机的发展
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
第6章 超声波电动机
超声波电动机
Ultrasonic Motor
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第6章 超声波电动机
超声波电动机及其发展概况
1 超声波电动机的基本原理 2 超声波电动机的发展 3 超声波电动机的优点及其应用
4 超声波电动机的常见结构与分类
5 行波型超声波电动机的驱动控制 6 超声波电机存在的问题及研究重点
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