超声波马达原理

ε0，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。 2.2. 驻波 USM 的工作原理 Sashida 研制的楔形驻波型超声波电动机:由 Langevin 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触 (夹角为 θ)， 诱发振动片前端产生向上运动 的分量， 产生横向共振， 纵横振动合成的结 果， 使振动片前端质点的运动轨迹近似为椭 圆。 振动片向上运动时， 振动片与转子接触 处的摩擦力驱动转子运动； 向下运动时， 脱 离接触， 没有运动的传递， 转子依靠其惯性 保持方向向上的运动状态。 这种电机设计简单， 但存在两个缺点： 在振动片与转子接触处磨损严重； 转子转速较难控制，仅能单方向旋转。 日立 Maxell 公司的改进型驻波超声波电 动机， 采用机械扭转连接器取代了楔形振动片， 借助扭转连接器将压电振子产生的纵向振动 诱发出扭转振动， 两种振动在扭转连接器前端 合成质点椭圆运动轨迹， 驱动转子旋转。 这种 电机转速达到 120r/min，输出转矩 1.3N⋅m， 能量转换效率为 80％， 超过传统电磁型电机。 驻波超声波电动机是利用在弹性体内激发的 采用扭转连接器的驻波型超声波电动机 驻波来驱动移动体移动。但是，单一的驻波 并不能传递能量，因为弹性体表面质点作同相振动。因此，驻波型超声波电 动机通过激发并合成相互垂直的两个驻波，使得弹性体表面质点作椭圆振动， 直接或间接地驱动移动体运动而输出能量。
二、 超声波电动机的基本原理 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。 1. 压电效应与压电振子 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。
2 uy
ξ
2 y
= sin 2 φ
当 ϕ =nπ (n=0, ±1, ±2, …)时，两个位移为同相运动，合成轨迹为一条直线；当
ϕ ≠ nπ 时，其轨迹为一椭圆，其中 ϕ =nπ ±
π
2
时为一规则椭圆 ：
三、 行波电机结构与工作原理 1、结构 常见的行波电机的结构分为：上端盖、轴承、弹簧、转子、定子和下端盖。 定子上面有很多齿状结构，齿状结构下面连接的是压电振子。转子和定子的齿状 物之间是一层特殊的摩擦材料，起增大摩擦因数作用。
h 2
h 2
h 2π 所以 ： ε x = x − ω0 t −πε 0 cos λ λ
εy εx 1 + = ε 0 πε 0 h λ
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。
浙江万里学院
超声波电动机原理
张杰 2012/12/23
[在此处键入文档的摘要。摘要通常是对文档内容的简短总结。在此处键入文档的摘要。 摘要通常是对文档内容的简短总结。]
一、
概述
超声波电动机(Ultrasonic Motor， 简称为 USM)， 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。超声波电机 是一个机电耦合系统，它涉及到振动学、摩擦学、材料学、电力电子技术、自动控制技术和 实验技术等，是一项跨学科的高新技术。 应用主要体现在微观领域、要求无电磁干扰的环境中等一些场合。比如在微观领域，随 着纳米技术的发展，分子机器概念的提出，传统电机依据电磁感应原理的电机，受理论和结 构形式上的限制，而不能作为这些微小装置的动力源；在要求无电磁干扰的环境中，磁式电 机显然也无法满足要求。在这种电机应用需求背景之下，新型的能满足尺寸小、重量轻、低 噪声、 无电磁干扰等的电机应运而生， 其中超声波电机是此类新型电机中研究比较成熟的一 种。
λ
yB = ε 0 cos
2π
λ
λ
x cos ω0t
在弹性体中，这两个驻波的合成为一行波:
2π y = y A + yB = ε 0 cos x − ω0 t λ
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 λ/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 λ/4，相
3.转子运动速度与方向 由两个驻波叠加形成行波，在机理上 与电机学中的旋转磁场理论有相似之处。 由电 机学知道， 当在单相绕组中通入单相交流电流 时产生的是脉动磁场，如果有两个匝数相同、 空间相差 90°的绕组， 当在其中通入大小相等、 时间相位互差 90°的对称交流电流时，所产生 的两个脉动磁场相合成就得到一个圆形旋转 磁场，旋转磁场的转向取决于电流的相序，将 任一相的电流反向， 就可改变旋转磁场的转向。 这里，单相脉动磁场对应着超声波电机中的驻波，而旋转磁场对应着行波。将电 磁式电机中的旋转磁场与超声波电机中的行波联系起来， 有助于对行波型超声波 电机工作原理的理解。 4.工作特性 与传统电磁式电机类似，超声波电动机的工作特性主 要是指转速、 效率、 输出功率等与输入转矩之间的关系， 这些特性与电机型式、控制方式等多种参数有关。一般 而言，USM 的机械特性与电磁式直流电动机类似，电机 的转速随着转矩的增大而下降，并且呈明显的非线性； 而 USM 的效率特性则与电磁式电机不同， 最大效率出现 在低速、大转矩区域。因此，USM 适合低速运行。总体 而言，超声波电动机的效率较低，目前环形行波型 USM 的效率一般不超过 45%。 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： 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。 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。 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。 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。 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。
压电振子:能产生电致伸缩现象的材料都可以做成压电振子。 2. 工作原理
2.1. 行波 USM 的工作原理 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。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)。因为转子和定子直接是靠摩擦力带 动的，当定子上有一注定向移动的行波就可 以通过定子带动转子的运动了。 其实定子不是直接带动转子的，而是定子上的行波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。
I.行波的形成
1)高频电压→驻波 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： 2π y = ε 0 cos x cos ω0t 2）两驻波→行波 设 A、B 两个驻波的振幅同为 ε0，二者在时 间和空间上分别相差 90°，方程分别为 ： 2π y A = ε 0 sin x sin ω0t
由于行波的振幅比行波的波长 小得多， 弹性体弯曲的角度 θ 很小， 故 y 方向的位移近似为
ε y ≈ ε 0 sin
2π x − ω0 t λ
从 P0 到 P 在 x 方向的位移为
ε x ≈ − sin θ ≈ − θ
又 ：= θ
dy 2π 2π cos x − ω0 t = ε0 λ dx λ
III．USM 的调速方法
dε x h 2π vp = x − ω0 t = −πω0ε 0 sin dt λ λ
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 ： h h −πω0ε 0 = −2π 2 f 2ε 0 vmax = λ v 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
根据激励两个驻波振动的方式不同,驻波超声波电动机分为：
纵扭振动复合型:采用两个独立的压电振子分别激发互相垂直的两个驻 波振动，合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹。 模态转换型：模态转换型仅有一个压电振子激发某一方向的振动，再通 过一个机械转换振子同时诱发与其垂直的振动，二者合成弹性体表面质点的 椭圆振动轨迹，驱动移动体运动。 3. 椭圆运动及其作用
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 ω，振幅分别为 ξ x 和 ξ y ，时间相位差为 ϕ u x = ξ x sin ωt = u y ξ y sin(ωt + φ ) ⇒
ξ
2 ux 2 xLeabharlann Baidu
−
2u x u y
ξ xξ y
cos φ +
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。
II.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 :
2π h ε y ε 0 sin x − ω0t − (1 − cos θ ) = λ 2
2、运行机理
下面以直线行波式超声波电机为例来说明一下 电机运动的基本原理: 上下两层压电材料产生的机械振动经耦合后， 定 子产生行进波带齿状结构产生的振动。 四条曲线由浅到深分别表示定子在不同时间下 的运动状态，颜色越深时间越晚，可以看出行波是由 左向右运动的。如果分析图中红色齿状结构，其运动 时按照 1-2-3-4 的圆圈运动，其在顶点 1 位置的运动 方向是从右向左的。