超声波电机的研究进展与应用前景

收稿日期:2000 04 03

基金项目:天津市自然科学基金资助项目(993700611)

作者简介:夏长亮(1968 ),男,天津籍,副教授,博士,中国电工技术学会微特电机专委会委员,中国计量

测试学会在线检测技术专委会常务理事,主攻电机及其控制研究。

综述和述评

超声波电机的研究进展与应用前景

夏长亮,史婷娜

(天津大学电气自动化与能源工程学院,天津300072)

摘要:超声波电机是当前处于学科前沿的一种新原理微特电机,它打破了迄今为止由电磁作用获得转矩的电磁型电机的概念,具有广阔的应用前景。本文对超声波电机的研究进展与应用前景作了综述。关键词:超声波电机;研究进展;应用前景

中图分类号:TM383 文献标识码:A 文章编号:1003 3076(2001)02 0043 04

1 引言

随着大规模集成电路和模块化技术的迅速发展,使得电子设备、精密仪器等的进一步小型化成为可能,同时也对构成其本身的重要元件 电机提出了更高更苛刻的要求。传统电磁型电机由于自身工作原理和复杂结构等的限制,使其进一步的短、薄、小已十分困难。在探讨新型的小型电机中,日本等国相继提出并研制成了利用压电效应的超声波电机(Ultrasonic motor,以下简称USM ),它的诞生为微特电机的研究和应用开辟了一块新的天地。USM 采用了一种全新的运行机理,打破了迄今为止由电磁作用获得转矩的电磁型电机的概念,不仅在思想上突破了传统的电磁感应原理,而且又以其优异的性能特点弥补了传统电机的不足,引起了人们强烈的

兴趣和厚望。虽然USM 的发展历史很短,但已显示出潜在的和良好的应用前景

[1]

。

2 US M 的国内外研究情况

2 1 接触式USM

USM 从运行方式上可分为定、转子表面接触式和非接触式两种型式,目前主要集中在对接触式USM 的研究上。最初的USM 又

被称为压电电机(Piezoelectric motor),USM 的设想最早是在六十年代由前苏联学者提出的,基辅工学院从1964年开始对USM 进行研究,并于1975年建立了专门的实验室从事USM 的研究;1969年英国Salfod 大学的两名教授在杂志上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;英国皇家雷达公

司研制的直线压电步进电机,可以获得0 01 m 的超小步距,在精密镗床、磨床进刀系统及光学聚焦系统中,就可使用这种步距极小的高精度微动执行元件,但这种电机的出力还不够高;美国IBM 公司的Barth 在1973年也提出了一种USM 的模型;七十年代后期日本新生工业公司研制了驻波型、行波型和弯曲波型三种USM 。但是八十年代以前对USM 的研究还只限于实验阶段,未达到实用阶段。

使USM 真正走上实用化道路的是日本新生工业公司的指田年生,他在1982年研制成功两种实用的USM,一种是行波型USM,另一种是驻波型USM 。表1为新生工业公司生产的USR 系列行波型USM [2]

,其结构如图

1所示。

表1 新生工业公司生产的USM

项目单位USR 60USR 45USR 30驱动频率KHz 404342驱动电压V 100100100额定转矩kg cm 3 81 50 4额定功率W 4 02 31 0额定转速r mi n 100150250额定电流MA 534018时间常数ms

1 01 01 0旋转方向正、反正、反正、反使用寿命h !1000!1000!1000重 量

g 175

69

33

图1 行波型USM

1988年东京工业大学教授上羽贞行博

士提出了纵扭复合振动USM,如图2所示,它由扭转振子产生的水平位移和多层压电驱动器产生的垂直位移来合成定子表面质点的椭圆形轨迹。由于水平位移和垂直位移是独立产生的,因此可独立地对它们进行控制,例如可在小的水平位移时仍保持足够大的垂直位移,从而使电机在低速运转时也有很好的稳定性。改变振子和驱动器电源的相位差,就能控制电机的转速和转向

[3]

。

八十年代国外对USM 主要热衷于开发研究,应用基础研究和基础理论研究较少,由于对USM 基本理论研究得不够透彻,缺乏可靠的特性分析计算方法,没有完整的设计理论,使USM 的研究带有一定程度的盲目性,在设计制造、实际应用方面遇到很大的困难,有很大的局限性,其运行寿命与效率也有待进一步提高。目前,USM 的研究重点已逐渐转移到提高电机性能的深层次研究,以争取在USM 的研究方向上有一个根本性的突破[4]

。

图2 纵扭复合振动US M

目前日本对USM 的研究居于世界领先水平。在我国,对USM 的研究起步较晚,从九十年代初才由清华大学、浙江大学、天津大

学、南京航空航天大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学、东南大学等单位陆续开始对几

种不同类型的USM 进行了电机结构和工作

机理的研究。国内各单位对USM 的研究只限于实验室,至今还没有达到实用阶段。2 2 非接触式USM

非接触式USM 的定、转子是不接触的,它克服了接触式USM 由于接触摩擦所带来的效率低、使用寿命短等缺点,是USM 的一个新的研究领域。由于非接触式USM 的研究工作起步较晚且投入精力有限,国内外对于非接触式USM 的研究还处于起步阶段,公开发表的文献资料较少。

日本东京工业大学上羽贞行教授领导的研究小组分别对定、转子间以气体和液体为媒质非接触USM 的工作情况进行了初步研究。气体媒质非接触USM 结构如图3所示[5]

,采用了两个朗之万振子,电机转速可达4400r min 。他们还分别对以水、氯化钠溶液和硅油为媒质的USM 工作情况作了研究,电机转速最高可达800r min,电机结构如图4所示[6]。目前国内已开始对非接触USM 进

行研究[7]

。

图3 气体媒质非接触USM

3 US M 的应用前景

USM 可用在定位系统中作微动执行元件,例如,在镗床、磨床的进刀系统中采用这

种电机,能得到极高精度;在照相机、摄像机、

显微镜等光学仪器的聚焦系统中作为驱动元图4 液体媒质非接触USM

件,能获得满意的结果。USM 能适应以计算机为代表的现代电子技术体积小、响应快、精度高和无磁场干扰等一些要求,被认为在机器人、计算机、机动车、仪器仪表、航空航天等领域有广泛的应用前景,在一些高科技产品中已选用其作为驱动电机,并取得很好的效果。

接触式USM 具有低速大力矩的特点,在许多应用场合中可免去减速装置直接驱动,它最典型的应用是用于照相机的自动调焦镜头中,与采用电磁型电机的镜头相比,有几个优点:∃安静,无电磁噪声;%定位精度高;&调焦时间短;∋无齿轮减速机构,结构简单。将它用于汽车车窗的驱动装置中,可使它体积扁小、低速时具有大转矩的优点发挥得淋漓尽致,目前,德国奔驰汽车公司正在做这方

面的工作。它还可用于磁悬浮列车上,为使列车悬浮在轨道上,要通过超导电流产生强磁场,需要有大力矩和控制性能优良的驱动器,这对于USM 来说是最合适的了。另外,伴随宇宙空间的开发和产业机器人的高速化、省能化,USM 可望在机械臂中得到广泛的应用。在机械臂中作为执行元件的电磁型电机受其工作原理与复杂结构的限制,难以