超声波电机

超声波电机学习报告

一．概述

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。

超声波电动机是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器。由于激振元件为压电陶瓷，所以也称为压电马达。80年代中期发展起来的超声波电机是基于功能陶瓷的超声波频率的振动实现驱动的新型驱动器。超声电机是一个典型的机电一体化产品，由电机本体和控制驱动电路两部分组成。产品涉及到振动学、波动学、材料学、摩擦学、电子科学、计算技术和实验技术等多个领域。

超声波电动机打破了由电磁效应获得转速和转矩的传统电机的概念。与传统电机相比，它具有以下特点与优点：低速大力矩输出；功率密度高；起停控制性好；可实现直接驱动；可实现精确定位；容易制成直线移动型马达；噪音小：无电磁干扰亦不受电磁干扰；需使用耐磨材料(接触型USM)和高频电源等。

超声电机的两个显著特点是：1)低速大力矩输出：2)保持力矩大，宏观表现为起停控制性好。超声电机能大力矩输出是因为激振元件采用大功率密度的压电陶瓷材料,具有大的保持力矩是因为电机的定、转子间依靠摩擦力实现转子的驱动。由于以上特点，与超声电机相连接的系统无须齿轮减速机构和制动机构，简化了应用系统的结构。超声波电机有着诱人的应用前景，成为研究的一大热点。具体地说，有以下几方面：信息机器、光学仪器、微机器人、医疗机器、探测系统、精密加工等。超声电机的发展趋势是：大力矩、小尺寸、高效率、长寿命。

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。具体优点如下：

（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）体积小、重量轻: 超声波电机不用线圈，也没有磁铁，结构相对简单，与普通电机相比，在输出转矩相同的情况下，可以做得更小、更轻、更薄。

（3）反应速度快，控制特性好: 超声波电动机靠摩擦力驱动，移动体的质量较轻，惯性小，响应速度快，起动和停止时间为毫秒量级。因此它可以实现高精度的速度控制和位置控制。

（4）无电磁干扰: 超声波电动机没有磁极，因此不受电磁感应影响。同时，它对外界也不产生电磁干扰，特别适合强磁场下的工作环境。在对EMI(电磁干扰)要求严格的环境下，采用超声波电机也很合适。

（5）停止时具有保持力矩: 超声波电动机的转子和定子总是紧密接触，切断电源后，由于静摩擦力的作用，不采用刹车装置仍有很大保持力矩，尤其适合

宇航工业中失重环境下的运行。

（6）形式灵活，设计自由度大: 超声波电动机驱动力发生部分的结构可以根据需要灵活设计。

二．运动形成机理

压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

如上图，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加正向电压，即在压电材料表面形成上正、下负的电场，则压电材料在长度方向便会伸张。反之，若在该压电材料上下表面加反向电场，则在长度方向就会收缩。 当在压电体外加交变电场时，在压电体中就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一致时，压电体就进入机械谐振状态，成为压电振子。当频率在20kHz 以上时，属于超声振动。

压电材料的应变

椭圆运动的作用

三．结构和工作原理

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。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。

实现超声波驱动有两个前提条件：首先，需在定子表面激励出稳态的质点椭圆运动轨迹；其次，将定子表面质点水平方向的微观运动转换成转子的宏观运动或平动。第一个前提条件对应着机电能量转换，利用逆压电效应由电能转化成机械振动能：第二个前提条件对应着运动形式转化，往往通过定转子间的摩擦力来实现，近年来亦有通过气体或液体为中间介质接触为非接触型超声波电机，也称为声悬浮超声波电机。从超声电机的工作原理可见，其正常工作离不开两个能量转换作用：机电转换作用和摩擦转换作用。机电转换作用是指压电陶瓷的逆压电效应，即对压电陶瓷振子加高频振荡电流，使它以超声波的频率振动。摩擦转换作用是指弹性体(定子与压电陶瓷的合称)的振动经过定子与转子工作面间的摩擦作用转化成转子的直线运动或旋转运动。要保证大力矩输出、止动性好，必须满足的条件就是有效足够的机电转换作用和有效稳定的摩擦转换作用。

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。