第11章 超声波电动机

电机学超声波电机2012年11月20日简介超声波电机（Ultrasonic Motor，简称USM）是20世纪80年代中期发展起来的一种全新概念的新型驱动装置。

超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应——在交变电场作用下，陶瓷会产生伸缩的现象——直接将电能转变成机械能，这种电机的工作频率一般在20kHz以上，故称为压电超声波电机。

超声波电动机的不同命名：如振动电动机(Vibration Motor)、压电电动机(Piezoelectric Motor)、表面波电动机(Surface Wave Motor)、压电超声波电动机(Piezoelectric Ultrasonic Motor)、超声波压电驱动器/执行器(Ultrasonic piezoelectric actuator)等等。

超声波电机实物图如下：一．发展1.探索阶段(1948年——20世纪70年代末)1）超声波电动机的概念出现于1948年，英国的Williams和Brown 申请了“压电电动机(Piezoelectric Motor)”的专利，提出了将振动能作为驱动力的设想，然而由于当时理论与技术的局限，有效的驱动装置未能得以实现。

2）1961年，Bulova Watch Ltd．公司首次利用弹性体振动来驱动钟表齿轮，工作频率为360Hz，这种钟表走时准确，每月的误差只有一分钟，打破了那个时代的纪录，引起了轰动。

3）前苏联学者V. V. Lavrinenko 于1964年设计了第一台压电旋转电机，此后前苏联在超声波电机研究领域一度处于世界领先水平，如设计了用于微型机器人的有2 或3 个自由度的超声波电机、人工超声肌肉及超声步进电机等。

不过，由于语言等方面的原因, 前苏联的一些重要研究成果并未被西方科学界所充分了解。

4）1969 年，英国Salfod 大学的两名教授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。

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。

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。

超声波电动机及其驱动控制器通用技术条件超声波电动机及其驱动控制器通用技术条件是指超声波电动机及其驱动控制器的技术规范和标准，它们是超声波电动机及其驱动控制器生产和使用的基础。

超声波电动机及其驱动控制器是一种新型的电动机和控制器，它们具有高效、低噪音、低振动、高精度等优点，广泛应用于机器人、医疗设备、精密仪器等领域。

超声波电动机是一种利用超声波振动产生的机械振动来驱动转子旋转的电动机。

它的工作原理是利用超声波振动产生的机械振动来驱动转子旋转，从而实现电动机的转动。

超声波电动机具有高效、低噪音、低振动、高精度等优点，广泛应用于机器人、医疗设备、精密仪器等领域。

超声波电动机的驱动控制器是一种用于控制超声波电动机转速和方向的电子设备。

它的主要功能是控制超声波电动机的转速和方向，从而实现超声波电动机的精确控制。

超声波电动机的驱动控制器具有高效、低噪音、低振动、高精度等优点，广泛应用于机器人、医疗设备、精密仪器等领域。

超声波电动机及其驱动控制器通用技术条件包括以下方面：1. 性能指标：超声波电动机及其驱动控制器的性能指标包括转速、转矩、功率、效率、噪音、振动等。

2. 外观尺寸：超声波电动机及其驱动控制器的外观尺寸应符合国家标准和行业标准。

3. 工作环境：超声波电动机及其驱动控制器的工作环境应符合国家标准和行业标准。

4. 安全性能：超声波电动机及其驱动控制器的安全性能应符合国家标准和行业标准。

5. 可靠性能：超声波电动机及其驱动控制器的可靠性能应符合国家标准和行业标准。

6. 电气性能：超声波电动机及其驱动控制器的电气性能应符合国家标准和行业标准。

7. 环保性能：超声波电动机及其驱动控制器的环保性能应符合国家标准和行业标准。

总之，超声波电动机及其驱动控制器通用技术条件是超声波电动机及其驱动控制器生产和使用的基础，它们的制定和实施对于推动超声波电动机及其驱动控制器的发展和应用具有重要意义。

超声波电机的发展及应用1.超声波电动机原理超声波电动机(Ultrasonic Motor缩写USM)是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器。

是国外近20年发展起来的一种新型电机。

与传统的电机不同，超声波电机无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。

一般由振动体(相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成)和移动体(相当于传统电机中的转子，由弹性体和摩擦材料及塑料等制成)组成。

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。

逆压电效应能够在振动体内激发出几十千赫的超声波振动 ,使振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率的微观振动(振幅一般为数微米) ,如椭圆、李萨如轨迹等 ,该微观振动通过振动体和移动体之间的摩擦作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。

因此 ,超声波电机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。

近几年发展出了多种超声波电机，如环形行波USM、步进USM、多自由度USM等，且行波型USM 已有较成熟的设计。

下面来说明一下行波型USM的原理。

行波型USM要旋转，需要具备两个条件：与转子相接触的定子表面质点须做椭圆运动 ,定子、转子之间的接触面须有摩擦力。

图 1 中的弹性体为定子 ,其上部为转子 ,定子、转子间夹一层摩擦材料。

摩擦材料一般粘接在转子表面上。

利用电能激励压电陶瓷复合振子 ,使之产生超声振动 ,并在弹性体内产生行波。

当电信号频率调整到与定子(弹性体) 的机械共振频率一致时 , 定子的振动幅度最大 , 并形成行波。

在行波的弯曲传播过程中 ,定子表面的质点就会形成椭圆振动轨迹。

当无数个这样的粒子都以同相位振动时 ,就会在定子表面形成力矩 ,力矩方向与行波传播方向相反。

该力矩依靠定子、转子间的摩擦力驱动转子运动。

超声波电动机测转速超声波电动机(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。

超声波电机与传统的电机不同，超声波电机无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。

一般由振动体(相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成)和移动体(相当于传统电机中的转子，由弹性体和摩擦材料及塑料等制成)组成。

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。

可清楚理解，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。

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。

同尺寸的超声微电机的力矩比静电微电机高3-4个量级：比电磁微电机高1．2个量级且输出转速也比其它类型的微电机低。

超声电机的保持力矩至少是最大输出力矩的2倍多，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。

而此次转速测量系统的目的就是，通过对超声波电机移动体的机械振动进行观测，用MSP430单片机达到测量转速的目标。

单片机通过定时计数来测量一定时间内的脉冲个数，通过程序的控制在数码管显示出来。

超声波电机的机械振动要能和单片机联系起来，中间必须接入传感器，通过传感器把机械振动的周期或频率，转换为单片机可以识别的脉冲信号。

而MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。

超声波电动机的工作原理一、逆压电效应简介压电效应是在1880年由法国的居里兄弟首先发现的。

一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。

这种由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称为正压电效应；反之，将一块晶体置于外电场中，在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移．这一极化位移又会导致晶体发生形变。

这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。

正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。

超声波电动机就是利用逆压电效应进行工作的，图9 2所示为逆压电效应示意图，进一步说明了逆压电效应的作用。

压电体的极化方向如图9-2中箭头所示．当在压电体的上、下表面施加正向电压．即在压电体表面形成上正、下负的电场时，压电体在长度方向便会伸张；反之，若在压电体上、下表面施加反向电场．则压电体在长度方向就会收缩。

当对压电体施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。

当外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。

当振动频率在20kHz以上时，就属于超声振动。

二、椭圆运动及其作用超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱动源的作用。

但是．并不是任意超声振动都具有驱动作用，它必须具备一定的形态．即振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向驱动作用。

图9-3所示质点的椭圆运动示意图，设定子(振子)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(质点)A做周期运动．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圆时，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地进行下去．则对转子具有连续的定向拨动作用。

超声波电机的研究现状及应用前景摘要：超声波电机是一种通过摩擦传递弹性超声振动以获得功率的驱动机构。

压电陶瓷在高频替代电压作用下产生相反的压电效应，从而激发超声频段内弹性定子的微幅振动。

定子驱动的表面粒子的椭圆运动通过摩擦转换为转子的旋转(或线性)运动。

超声波电机具有低速大转矩、无噪声、停电后自燃、快速响应、无磁场干扰等特点。

关键词：超声波电机；压电效应；研究现状；应用前景；超声波电机是一种新型的微型专用电机。

其通过反向偶极子效应和超声振动获得动力的工作原理推翻了传统的发动机概念，吸引了国内外许多学者的广泛关注和研究。

目前，该技术仍处于科学前沿，应用前景广阔，因此具有重要的研究价值。

综述了超声波电机的研究现状及应用前景。

一、国外超声波电机的研究现状人类第一次尝试用弹性振动来获取权力始于钟表。

1961年，日本Bulova Watch公司开始出售一只手动手表，每月误差仅为1分钟，这创造了当时的世界纪录，给全世界学者留下了深刻的印象。

超声波马达的研究也已开始，许多研究人员对此进行了深入研究，并取得了丰硕成果。

提出并制造了一种驻波分电器超声波马达，该马达使用了一种波长为27.8 khz的朗格文激励器，输入功率为90瓦，机械输出功率为50瓦，输出扭矩为0.25n m，输出速度为0.25n m但是，由于振动板和发动机转子之间的接触固定在同一位置，接触表面仍存在严重的摩擦磨损问题。

为了解决摩擦磨损问题，提出并制造了另一种形式的超声波偶极电机。

这种发动机意识到转子是由行波而不是固定点和驻波力矩不断推动的。

从而大大减少定子与转子接触表面的摩擦磨损。

该发动机的工作机构是利用定子表面颗粒在圆周方向上的椭圆运动速度分量驱动转子通过摩擦转动。

佳能公司研制的环形行波超声电机已正式应用于EOS相机目标自动研制系统，标志着超声波电机开始进入实用阶段。

不难看出，上述所有超声波电机都属于接触式超声波电机，即功率是通过定子和转子之间的接触摩擦传递的。