超声电机

微特电机课程论文超声波电动机学院:专业班级：学号：姓名：指导教师：日期：摘要超声波电机是一个机电耦合系统，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。

超声波电动机利用压电材料的逆压电特性，激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动。

与传统电机相比，它具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，是一项跨学科的高新技术。

近几年来超声波电动机已成为国内外在微型电机方面的研究热点。

关键字：超声波电机、逆压电效应、机械振动、高新技术。

一、超声波电动机简介超声波电动机(Ultrasonic Motor缩写USM)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(Ultrasonic motor，USM)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，它利用压电材料的逆压电效应，使振动体在超声频段内产生振动，通过定子与动子间的摩擦输出能量。

二、超声波电动机的分类1. 环状或盘式行波型超声波电动机由底部粘接着压电陶瓷元件的环状定子和环状转子构成。

对极化后的压电陶瓷元件施加—定的高频交变电压，在定子弹性体中形成沿圆周方向的弯曲行波。

对定、转子施加一定的预压力，转子受到与行波传播方向相反的摩擦力作用而连续转动，定子上的齿槽用于改善电机的工作性能。

2. 直线式行波型超声波电动机（1）双Langevin振子型：利用两个Langevin压电换能器，分别作为激振器和吸振器，当吸振器能很好地吸收激振器端传来的振动波时，有限长直梁似乎变成了—根半无限长梁，这时，在直梁中形成单向行波，驱动滑块作直线运动。

医用超声电机简介医用超声电机是一种应用于医疗行业的关键设备，它利用超声波技术来进行医学成像和治疗。

本文将对医用超声电机进行详细介绍，包括其原理、功能、应用领域以及发展前景。

一、原理医用超声电机基于超声波原理工作，其核心是超声发生器和超声探头。

超声发生器将电能转化为高频电能，然后通过超声探头将电能转化为机械振动能量。

探头上的压电晶体通过振动产生超声波，并将超声波传输到人体组织内。

当超声波遇到不同组织界面反射回来时，探头可以接收到这些回波，并将其转化为可视化的图像。

二、功能医用超声电机具有多种功能，主要包括以下几个方面：1. 医学成像：医用超声电机通过超声波成像技术，能够对人体内部的器官、血管、肌肉等进行非侵入性的成像。

医生可以通过观察这些成像结果，准确地判断病变部位和病情，从而辅助诊断和治疗。

2. 治疗：医用超声电机在医疗领域还具有治疗功能。

它可以通过超声波的热效应、机械效应和生物效应对病变组织进行治疗。

例如，在肿瘤治疗中，可以利用超声波的热效应将肿瘤局部加热，破坏癌细胞。

此外，超声波还可以用于局部消融、组织修复等治疗过程。

3. 导航定位：医用超声电机可以通过超声波成像技术提供实时的导航定位功能。

医生在手术过程中可以根据超声波成像图像，准确定位和操作内部结构，提高手术的精确性和安全性。

三、应用领域医用超声电机广泛应用于医疗领域，包括但不限于以下几个方面：1. 影像学科：超声波成像在影像学科中是一种常见的检查方法，医用超声电机在超声检查设备中起到关键作用。

它可以用于妇科、泌尿科、肿瘤科等多个医学影像学科。

2. 心血管领域：医用超声电机在心血管领域具有重要的应用价值。

通过心脏超声波成像，可以检查心脏结构、功能以及评估心血管疾病，如心肌梗死、心肌病等。

3. 产科：医用超声电机在产科领域也应用广泛。

通过超声波检查，可以观察和评估胎儿发育情况、胎盘位置以及宫内情况等。

4. 普外科：医用超声电机在普外科领域也有重要的应用。

超声波电机在医疗领域的应用摘要：本文主要介绍了一种利用逆压电效应获得驱动力的的新型电机——超声波电机。

通过说明超声波电机的特定优点及工作原理，分析并展望了超声波电机在医疗领域等方面的应用。

关键词：超声波电机；医疗领域；注射器；内窥镜探头；多自由度关节1 引言超声波电动机是一种借助摩擦传递弹性超声波振动来获得驱动力的新型电机，和传统的电磁式电机的工作机理不同，超声波电机内部没有线圈和磁体，不需要通过电磁作用产生驱动力，这使其它具有低速大转矩、体积小、重量轻、无电磁干扰、响应速度快、运行时无噪声、断电自锁等特定优点。

上个世纪八十年代，日本的指田年生首次提出并制造出了一种可应用的驻波型超声波电机。

继而，国内外开始投入了很多力量对超声波电机进行应用研究。

在过去的几十年里，医疗领域是微电机技术应用最具代表性的领域之一，超声波电机在医疗领域的应用研究也一直都是焦点。

人们利用微型超声波电机攻克了一些医疗领域的技术难题。

2 超声波电机的原理2.1压电效应一般在电场作用下，某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形，带电粒子发生极化，某些介质也可以在纯机械应力作用下发生极化，并同时在两端表面内出现正负相反的电荷，这种现象称为正压电效应；反之，将电介质置于外电场中，在电场的作用下，这些介质会发生位移，随之电介质发生形变，当电场去掉后变形也消失，这种现象称为逆压电效应，也叫电致伸缩效应。

正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。

2.2超声波电机的工作原理超声波电机是基于压电材料的逆压电效应或电致伸缩效应使其电机定子产生微观机械振动，从而使用定子表面质点形成椭圆运动，然后通过定子和转子之间的摩檫力，将电能转换为机械能输出，从而驱动转子的运动。

超声波电机内部结构一般由振动体（定子）和移动体（转子）组成，振动体由压电陶瓷和金属弹性材料组成，移动体有弹性体和摩擦材料等组成。

3 医疗领域的发展随着我国经济的发展和人民生活的改善，医疗服务的需求逐步增加，我国的医疗领域技术也面临着新的挑战。

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。

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。