第八章 超声波电机
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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。
超声波电机探测器原理
超声波探测器的原理是，它发出的声波可以穿透物体，并且可以被物体反射回来。
当物体反射的声波被探测器接收到时，它可以根据反射的声波来推断物体的位置和形状。
此外，它还可以根据反射的声波的强度和频率来推断物体的特性，例如硬度、密度、温度等。
超声波探测器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。
这就是所谓的时间差测距法。
因此，超声波探测器是一种非接触式测量仪器，广泛应用于测量长度、距离、方向、速度等方面。
超声波电机
寿命较短: 超声波电机的寿命大约2000小时，与传统 电机相比，长时间工作的耐久性不尽人意。
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。
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
一、超声波电动机的结构和工作原理 二、超声波电动机的特点及应用
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
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
超声电机原理
超声电机原理
超声电机是一种利用超声波产生的机械振动来实现运动的电机。
它具有体积小、效率高、响应速度快、噪音小等优点，因此在各种
领域得到了广泛的应用。
超声电机的工作原理主要包括超声波的产生、传播和转换成机械振动三个方面。
首先，超声电机的工作原理涉及到超声波的产生。
超声波是指
频率高于20kHz的声波，它可以通过压电效应或磁致伸缩效应来产生。
在超声电机中，常用的是压电效应。
当施加电压到压电陶瓷上时，会产生压电效应，使其产生机械振动，从而产生超声波。
这种
超声波具有高频率、短波长的特点，可以实现精细的机械控制。
其次，超声电机的工作原理还涉及到超声波的传播。
超声波在
传播过程中会受到介质的影响，不同介质对超声波的传播速度和衰
减程度都有影响。
因此，在超声电机中需要考虑介质的选择以及超
声波的传播路径，以确保超声波能够准确地传播到需要的位置。
最后，超声电机的工作原理还包括超声波的转换成机械振动。
当超声波传播到需要的位置时，可以通过压电陶瓷或磁致伸缩材料
将超声波转换成机械振动。
这种机械振动可以驱动机械装置实现运
动，如旋转、线性运动等。
由于超声波具有高频率和短波长的特点，因此可以实现微小的机械振动，从而实现精密的位置控制。
总的来说，超声电机的工作原理是通过产生、传播和转换超声
波来实现机械振动，从而实现运动控制。
它具有许多优点，如体积小、效率高、响应速度快、噪音小等，因此在精密仪器、医疗设备、光学设备等领域得到了广泛的应用。
随着科技的不断发展，相信超
声电机在未来会有更广阔的应用前景。
超声波电机工作原理
超声波电机工作原理
超声波电机是一种利用超声波振动产生机械运动的电机，其工作原理基于超声波的压电效应和谐振效应。
以下是超声波电机的基本工作原理：
1. 压电效应：超声波电机的关键部件是由压电陶瓷构成的振动片。
压电陶瓷具有压电效应，即当施加电场时，陶瓷发生机械变形，而当施加机械应力时，陶瓷产生电场。
2. 超声波振动产生：通过在压电陶瓷上施加高频交变电压，可以使陶瓷片振动，产生超声波。
这种超声波通常在20 kHz以上，远远超出人耳可听范围。
3. 谐振效应：超声波电机采用谐振效应，即在特定的频率下，振动片的振动幅度达到最大值。
通过调整施加在压电陶瓷上的电压频率，使其与振动片的谐振频率匹配，可以提高振动效率。
4. 工作部件：超声波电机中通常包含振动片、导向块和负载。
振动片振动时，通过导向块将振动传递到负载上，从而实现机械运动。
5. 无刷结构：由于超声波电机是通过振动产生机械运动，通常不需要传统电机中的刷子和换向器。
因此，超声波电机具有无刷结构，减少了摩擦和磨损。
超声波电机的优点包括高效率、精密控制、低噪音、无电磁干扰等特点。
它在一些需要高精度、低噪音、快速响应的应用领域得到广泛应用，如光学设备、精密仪器、医疗器械等。
超声波电机介绍及其应用
超声波电机介绍及其应用一、超声波电机的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、超声波电机的产生20 世纪90 年代日本佳能公司研制出一种压电电动机，这种电动机的工作原理是利用逆压电效应把电能转换成机械能。
常见的压电电机也是由定子和转子组成，但定子是由压电材料和金属材料组合制成，转子是由金属材料制成；压电材料把电能转换成机械振动能，激励定子金属体振动；转子与定子相接触，通过摩擦力，定子的振动驱动转子运动。
由于定子的振动频率一般在大于20kHz 的超声频段，因此人们也将压电电机称为超声电机。
三、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。
四、超声电机的分类（1）环形行波超声波电机。
在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的振动来传递能量，属连续驱动方式，其基础理论和应用技术均较成熟。
（2）小型柱体摇摆型超声波电机目前行波型超声波电机已有较成熟的设计方法，但该型电机在小直径（小于20mm）条件下，输出性能逐渐失去低速大扭矩的特点，而且由于其结构的限制，效率也很难提高。
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%。
超声波电机的结构
超声波电机的结构
超声波电机（Ultrasonic Motor）是一种利用超声波振动能量进行驱动的特殊电机。
它主要由定子、转子和其他辅助部件组成。
一、定子
定子是超声波电机的主要组成部分之一，通常由金属材料制成。
定子通常具有两个或多个振荡器，这些振荡器是用来产生超声波振动的。
定子上的振荡器通常是通过在金属材料上刻蚀或钻孔来制造的，这样可以在定子上形成一系列的振动节点和振动位移。
二、转子
转子是超声波电机的另一个重要组成部分，它通常由非金属材料制成，如陶瓷、玻璃或碳纤维等。
转子通常具有一个或多个超声波振动膜片，这些膜片是用来接收定子产生的超声波振动并转换成转动的动力。
转子上的膜片通常是通过在非金属材料上切割或钻孔来制造的，这样可以在转子上形成一系列的振动节点和振动位移。
三、辅助部件
除了定子和转子之外，超声波电机还需要一些辅助部件来确保其正常运转。
这些辅助部件包括：
1.驱动电路：用于产生高频振荡信号，驱动定子产生超
声波振动。
2.位置传感器：用于检测转子的位置和速度，确保电机
能够准确地控制转子的运动。
3.散热器：用于降低电机内部的温度，防止过热对电机
造成损坏。
4.轴承：用于支撑转子，减少摩擦和磨损，提高电机的
使用寿命。
总之，超声波电机是一种利用超声波振动能量进行驱动的特殊电机，它主要由定子、转子和辅助部件组成。
这些组成部分协同工作，使得超声波电机能够实现高精度、高速度和高效率的驱动。
超声波电机的工作原理
超声波电机的工作原理
1 超声波电机
超声波电机是一种新型的无极变速电机，它的概念来源于无极步
进电机的原理。
它的基本原理是利用来自多个超声波发射器的超高频
信号来改变电机的转速。
这对传统的步进电机的控制有着巨大的改变。
构成
超声波电机的主要组件由多个超声波发射器、接收器和控制电路
组成。
每个超声波发射器负责将一定频率的超声波脉冲发送出去。
接
收器将接收电机发出的超声波脉冲转变为电信号，然后经由控制电路
对电机进行控制。
原理
超声波电机是一种发射和接收超声波信号来控制电机转速的无极
变速器。
当多个超声波发射器发送超声波信号时，电机体内的接收器
将接收到超声波信号，并将之转化为电信号。
控制电路则接收到转变
后的电信号，根据其不同频率来控制电机的转速或者是发出停止命令。
优势
超声波电机拥有无极变速电机的许多优点，其输出功率强、切换
灵活，不受电源造成的噪声干扰，稳定且高效。
此外，超声波电机的
信号可以传播任何距离，不受任何电磁干扰。
最后，超声波电机还可
以通过调整频率来改变电机的转速，从而满足用户对变速的要求。
结论
超声波电机的技术并不难，但它的应用非常广泛。
它能解决很多变速性能低、受电源影响大等方面的问题，同时满足大多数应用情况下的控制要求，而且具有很好的稳定性、高效率。
超声波电机
圆筒型行波型超声电机一、简介1942年williams和Brown提出超声电机的概念，1981年日本新生工业(Shinsei)公司的总裁指田年生(Toslliiku sashida)制作了世界上第一台具有实用价值的振动片型超声波马达，自那时以来各种新型式的超声电机不断涌现，例如按驱动形式可分为行波型超声电机旧、复合型超声电机M1及多自由度超声电机．为增大定转子之间接触区形状和面积，提高马达的转矩，提出了一种柱面驱动行波超声电机，它的接触区域不同于以往的圆板和圆环超声电机，它是以圆柱面母线为中心的矩形区域，沿轴向接触具有一致性，提高定转子之间的预紧力和接触面积，从而提高了电机的力矩输出。
二、行波型超声电机的结构行波型超声电机(TRUM)是从上个世纪八十年代发展起来的一种新型微特电机，是最具代表性和当前应用最多的一类超声电机。
本文所述的这种筒状行波超声电机，定子为筒状，结构如图1所示。
图1 圆筒型行波超声电机传统的圆板型定子被新型圆筒定子代替。
压电陶瓷元件粘贴在圆通定子外壁上的合适位置，而在传统电机中，是贴在圆板型定子的底端面。
值得一提的是用于前者上的压电陶瓷比后者更易于加工，成本更低。
图2所示为粘贴有压电陶瓷的圆筒型定子和圆筒式定子主体，长条形的是PZT。
图2 粘有PZT的圆筒定子因为定子的特殊结构及有两个端面，如果两个端面都是自由的，就都会产生行波，而且这两个行波的运动方向相同。
如果用两个同轴转子与定子配合，随着摩擦力的增加，电机的输出力矩也将会增加。
虽然这样会给电机带来新的问题，但值得一试。
三、工作原理超声电机的机理是基于压电陶瓷的换能器，利用压电陶瓷的逆压电效应．把电能转换成机械能。
本文所提的电机采用的是薄片状压电陶瓷，沿厚度方向极化，压电振子的振动模式是垂直于极化方向的伸缩振动。
在两组压电陶瓷元件上分别施加相位差为π/2的同频率(超声频段内)、等幅麦变电压，通过压电陶瓷元件的逆压电效，可以在定于的模态频率上激发出幅值相等、在时间和空间上均相差π/2的模态响应。
超声电机原理
超声电机原理超声电机是一种利用超声波振动产生的驱动力来驱动转子旋转的电机。
它具有体积小、转速高、响应速度快等特点，在现代工业生产中得到了广泛的应用。
超声电机的工作原理主要包括超声波振动产生、超声波传递和转子驱动三个方面。
首先，超声电机的工作原理是利用压电效应产生超声波振动。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会发生形变，产生电荷分布不均，从而产生电场的现象。
当外加电压作用于压电晶体时，晶体会发生机械振动，产生超声波。
这种超声波的频率通常在20kHz以上，能够提供足够的驱动力来驱动转子旋转。
其次，超声波通过传感器传递到转子上。
传感器通常由压电陶瓷和金属片组成，当超声波传递到传感器上时，压电陶瓷会产生振动，从而使金属片发生弯曲变形。
这种弯曲变形会产生一个周期性的力，作用在转子上，从而驱动转子旋转。
由于超声波的频率很高，转子可以以非常快的速度旋转，因此超声电机具有响应速度快的特点。
最后，转子受到超声波的驱动而旋转。
超声波通过传感器传递到转子上后，产生的周期性力会使转子发生旋转。
由于超声波的频率高，转子旋转的速度也会非常快，可以达到几千转/分钟甚至更高的转速。
这种高速旋转的特点使得超声电机在一些需要高速驱动的场合具有很大的优势。
总的来说，超声电机是一种利用超声波振动产生的驱动力来驱动转子旋转的电机。
它的工作原理主要包括超声波振动产生、超声波传递和转子驱动三个方面。
超声电机具有体积小、转速高、响应速度快等特点，在现代工业生产中得到了广泛的应用。
希望通过本文的介绍，读者对超声电机的工作原理有了更深入的了解。
超声波电机
1.特点 特点
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
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
超声电机
超声电机陈宇付华龄电磁电机与超声电机比较一提到电动机人们可能马上想到电磁电机。
从1820年奥斯特发现电磁作用，到1836年电磁电动机应用于印刷机上，仅用了十几年的时间。
目前，电磁电机在日常生活和工业生产中都有着广泛的应用。
电磁电机利用电磁效应把电能转换成机械能。
一个常见的直流电磁电机的换能部件主要由定子和转子组成；定子产生一个固定的磁场，转子产生一个可以旋转的磁场；定子与转子不接触，而通过两个磁场的相互作用驱动转子转动。
普通电磁电机的特点是转速快，每秒上千转。
电动机的输出功率是力矩乘以转速，所以一般电磁电机的直接输出力矩都比较小。
20世纪90年代日本佳能公司研制出一种压电电动机，这种电动机的工作原理是利用逆压电效应把电能转换成机械能。
常见的压电电机也是由定子和转子组成，但定子是由压电材料和金属材料组合制成，转子是由金属材料制成；压电材料把电能转换成机械振动能，激励定子金属体振动；转子与定子相接触，通过摩擦力，定子的振动驱动转子运动。
由于定子的振动频率一般在大于20kHz的超声频段，因此人们也将压电电机称为超声电机。
早在1948年美国科学家威廉斯（Willianms）和布朗（Brown）就申请了“超声电机”的专利。
随后，很多人试图将超声电机的想法变成产品，都没有成功。
1982年日本人指田（Sashida）提出了一个超声电机的设计方案；但直到1992年佳能公司才利用指田的方案制造出商业化的超声电机，并应用于照相机中，作为镜头调焦的驱动器。
在此之后，许多国家都开展了超声电机的研究。
目前超声电机已经广泛应用在光学仪器、高档轿车、精密仪器、自动控制、航空航天等许多领域。
超声电机的工作原理和工作效果与电磁电机完全不同，一个主要特点就是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。
除了转速低，超声电机还有很多其他的特点：（1）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。
超声电机
介质中激发(一般用换能器) 沿自由表面传播的表面波,或在板中激发 板波时, 弹性介质表面质点振动的轨迹 是椭圆形. 如果在这种弹性振动体(定子) 的表面上再放置一金属块(转子) ,则金属 块将沿着与表面波传播方向相反的方向运动. 这是因为当声波沿 X 方向传播时,弹性体表面质点作逆时针椭圆运动,如图3 所示. 振 动质点通过表面间的摩擦力驱使滑块移动. 这就是超声行波直线 马达的基本原理 若把弹性体(定子) 弯成圆形,金属块为圆环,则滑环将作连续的旋 转运动,这就是超声行波旋转马达的工作原理
超声电机的特色
超声电机之所以应用广泛在于 超声电机与传统电机相比： 结构简单、小型轻量、响应速度快，噪声低、低速大转矩、 控制特点好、断电自锁、不受磁场干扰，运动准确 还具有耐低温、真空等适应太空环境的特点。 首先由于质量轻，低速且大转矩从而不需要附加齿轮等 变速结构，避免了使用齿轮变速而产生的震动、冲击与 噪声、低效率、难控制等一系列问题； 其次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力，而是利用压电陶瓷的逆 压电效应、超声振动和摩擦耦合来转换能量。从而实现 了安静、污染小；定位精度高；不受电磁干扰等优点
超声电机应用
光学机器 超声波电机在照相机、摄像机、显微镜等 光学仪器的聚焦系统中作为驱动原件，与采用传统电机镜 头相比，具有安静、无电磁噪声；定位精度高；调焦时间 短；无齿轮减速、机构简单等优点 汽车 超声波电机用于汽车车窗的驱动装置中 航天 超声波电机具有的结构简单、重量轻、不受磁场 干扰、真空下无需润滑油的优点，是电磁电机在航空航天 领域所不具有的。 工业机床 机床的精密进给机构、刀具的磨损调度装置 、微细电火花机的加工装置、工件准确定位与装夹、缩 紧装置及夹具的快速调整 在医疗与生物学领域中以及民用产品中ce
超声电机的特色
超声电机之所以应用广泛在于 超声电机与传统电机相比： 结构简单、小型轻量、响应速度快，噪声低、低速大转矩、 控制特点好、断电自锁、不受磁场干扰，运动准确 还具有耐低温、真空等适应太空环境的特点。 首先由于质量轻，低速且大转矩从而不需要附加齿轮等 变速结构，避免了使用齿轮变速而产生的震动、冲击与 噪声、低效率、难控制等一系列问题； 其次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力，而是利用压电陶瓷的逆 压电效应、超声振动和摩擦耦合来转换能量。从而实现 了安静、污染小；定位精度高；不受电磁干扰等优点
超声电机应用
光学机器 超声波电机在照相机、摄像机、显微镜等 光学仪器的聚焦系统中作为驱动原件，与采用传统电机镜 头相比，具有安静、无电磁噪声；定位精度高；调焦时间 短；无齿轮减速、机构简单等优点 汽车 超声波电机用于汽车车窗的驱动装置中 航天 超声波电机具有的结构简单、重量轻、不受磁场 干扰、真空下无需润滑油的优点，是电磁电机在航空航天 领域所不具有的。 工业机床 机床的精密进给机构、刀具的磨损调度装置 、微细电火花机的加工装置、工件准确定位与装夹、缩 紧装置及夹具的快速调整 在医疗与生物学领域中以及民用产品中ce
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（8-6）
w 0 cos(kx t)
，取
8.3.2 电机的工作原理
2. 定子表面质点的运动轨迹
从式（8-1）中消去时间 t ，则
ux2
x2
2uxuy
xy
cos
uy2
2 y
sin2
（8-2）
n (n 0，1， 2，) 时，两个位移为同相运动，合成轨迹为一直线；
n
时，其轨迹为一椭圆；nΒιβλιοθήκη 2时，轨迹为规则椭圆。
8.2.2椭圆运动及其作用
椭圆运动 转速： 为振动的角 频率 转向： 由振动的相 角超前相转 向滞后相 椭圆度： 由振动振幅 的差值确定
第8章 超声波电机
8.1 概述 8.2 超声波电机的运动形成机理 8.3 环形行波型超声波电机
8.4 行波型超声波电机的驱动与控制
8.5 其他类型的超声波电机 8.6 超声波电机的应用
8.1概述
超声波电机是利用压电材料(压电陶瓷)的逆压电效应，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为运动体的回转 或直线运动的新型驱动电机。电机驱动电源的频率一般高于20kHz， 已超出入耳所能采集到的声波范围，因此称为超声波电机。 超声波电机是典型的机电一体化产品。虽然仅有三十多年的发明和 发展历史，已在航空航天、机器人、精密仪器、医疗设备等诸多领 域已得到了很好的应用。目前仍是国内外开发研究的热点。 1. 超声波电机的特点 （1）低速大转矩。（2）无电磁噪声，电磁兼容性好。（3）响应 快、控制特性好。（4）断电自锁。（5）运行噪声小。（6）结构 形式多样。（7）摩擦损耗大，效率低。（8）寿命短。
8.3.2 电机的工作原理
1. 定子行波的产生
由于压电陶瓷相邻分区 的极化方向相反，在共 振频率的交流电压激励 下，相邻极化区将会分 别伸张和收缩，从而在 定子弹性体中激励出弯 曲振动。
图8-7 定子行波的产生 a）定子弯曲振动激励 b）驻波合成行波机理
、
8.3.2 电机的工作原理
设A区和B区的驻波振动分别为
图8-1 逆压电效应示意图
8.2.2椭圆运动及其作用
超声波电机的工作原理：以图8-2所示的 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 拨动，从而使转子连续不断的旋转。
图8-4 环形超声波电机的定子和转子 图8-5 环形超声波电机转配图
8.3.1 电机的结构
图中的阴影区域为未敷银或对
应部分的敷银层已经被磨去的
小分区，它把压电陶瓷的上下
极板分隔成不同的区域。图8-6
a）中相邻两个压电分区的极
化 方 向 相 反 ， 分 别 以 “ +” 和 “-”表示，在电压激励下一段 收缩，另一段伸长，构成一个 波长的弹性波。
8.1概述
2. 超声波电机的分类 按波的传播方式分类：行波型超声波电机；
驻波型超声波电机。 按转子的运动形式分：旋转型超声波电机；
直线型超声波电机。 按转子运动自由度分：单自由度超声波电机；
多自由度超声波电机。 按定转子接触情况分：接触式超声波电机；
非接触式超声波电机。 本章主要对旋转行波型超声波电机进行分析。
0 2
2
0 2
2
图8-3 椭圆的形态
2
2
8.3 环形行波型超声波电机
8.3.1 电机的结构 8.3.2 电机的工作原理 8.3.3转子的运动速度 8.3.4 电机的运行特性
8.3.1 电机的结构
环形行波型超声波电机，由定子和转子两大部分组成。以振动体 为主体的定子上开有齿槽，在定子不开槽的一面粘贴有压电陶瓷； 转子为一圆环；在定、转子接触的表面有一层特殊的摩擦材料， 如图8-4所示。
8.2 超声波电机的运动形成机理
在图8-1中，压电材料的极化方向如空心箭头所示，当压电材料 的上下表面施加正向电压，即在材料表面形成上正下负的电场， 则压电材料在长度方面伸张、厚度方面收缩。反之，若在该压电 材料上下表面施加反向电场，则会在长度方向收缩、厚度方向伸 张。
当在压电体表面施加交变电场时，压电 体中就会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 谐振频率相同时，压电体就进入谐振状 态，称为压电振子。当振动频率高于 20kHz时，就属于超声振动。
a）正面
b）反面
图8-6 压电陶瓷电极布置图
压电陶瓷环的周长为行 波波长的n倍，图中n=9
极化分区可组成三个电极，其中A区和B区表示驱动环形超声波电机的
两相电极，它们利用压电陶瓷的逆压电效应产生振动；而s区是传感器
区，它利用压电陶瓷的正压电效应产生反馈电压，该电压可实时反映
定子的振动情况，其反馈信号可用于控制驱动电源的输出频率。
wA A coskxcost
（8-3）
wB B cos(kx )cos(t )
（8-4）
两列驻波叠加可得
w wA wB A coskxcost B cos(kx )cos(t )
若 A
B
0，
2
，
，则
2
（8-5）
w 0 cos(kx t)
沿 x 正向行进的行波。如何得到反向行波？
8.2 超声波电机的运动形成机理
8.2.1 压电效应简介 8.2.2 椭圆运动及其作用
8.2.1压电效应简介
压电效应是由法国的居里兄弟在1880年首先发现的。 正压电效应：对于晶体构造中不存在对称中心的异极晶体， 加在晶体上的应力，除了产生相应的应变以外，还在晶体 中诱发出介质极化或电场。 逆压电效应：若在晶体上施加电场，从而使该晶体产生电 极化，则晶体也将同时出现应变和应力。 正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。 超声波电机就是利用逆压电效应进行工作的。
电机的转向是由椭圆 运动的转向决定的。
图8-2 质点运动的轨迹
8.2.2椭圆运动及其作用
椭圆运动的形成：在空间有两个相互垂直的振动位移 ux和 uy，均
由简谐运动形成，振动的角频率为 ，时间相位差为 ，振幅分
别为 x 和 y ，即有
ux x sin(t) uy y sin(t )
（8-1）