超声波电动机

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。

什么叫超声波电动机？2009年10月14日超声波电动机是20世纪末发展起来的一种新的微型驱动电机，它的基本结构及工作原理与传统电机完全不同，没有绕组和磁路，不以电磁相互作用来传递能量，而是基于压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应)，利用超声波振动来实现机电能量转换。

由于这种新型电机的工作频率一般在20kHz以上，因此称为超声波电机。

超声波电机打破了传统电机必须由电磁效应产生转矩和转速的固有概念。

与电磁式电机相比．超声波电机具有以下特点：(1)体积小，重量轻。

超声波电机不用线圈，没有绕组和磁路，结构简单、紧凑，与电磁式电机相比，在输出转矩相同的情况下，可以做得更小、更轻、更薄。

超声波电机的转矩密度一般为电磁式电机的几倍到十几倍。

(2)低速大转矩。

超声波电机的最大优点在于它能以极低的速度运行．很容易做到每分钟几十转(甚至更低)，并且能保持大转矩的输出。

这样就无需齿轮减速机构，可实现对较大负载的直接驱动。

(3)响应迅速，控制特性好。

超声波电机转子的质量较轻，惯性小，响应速度快，起动和制动的时间均为毫秒级，因此可以实现高精度的速度控制和位置控制。

(4)有断电自锁功能。

由于超声波电动机是依靠定、转子间的摩擦力驱动的，因此定、转子间必须施加一定的轴向压力，以便将压电振子的振动转换为转子的旋转。

这样当切断电源时·由于静摩擦力的作用，转子便可自锁。

(5)与外界无相互电磁干扰。

超声波电机无需励磁．因此它不受外界电磁场的影响。

同时，它对外界也不会产生电磁干扰，特别适合于强磁场的工作环境。

(6)结构形式多样化。

由于超声波电机是将压电振子的机械能通过定、转子之间的摩擦传递给转子，转子可以做旋转运动，也可以做直线运动(这时应称为动子)．因此转子运动的自由度较大，其结构设计的自由度也较大，可适应不同应用场合的需要。

超声波电动机是典型的机电一体化产品，它涉及电机学、振动学、摩擦学、功能材料、电子技术、自动控制技术和检测技术多门学科，虽然它的发明和发展仅有二十多年的历史，但在航空航天、机器人、精密仪器、医疗设备等诸多领域已得到很好的应用，目前仍是国内外研究和开发的热点。

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。

超声波电动机技术创新点的设定
超声波电动机是一种基于超声波共振效应的电动机，其特点是高效、高精度、低噪音等。

要在超声波电动机技术上实现创新，可以从以下几个方面进行设定：
1.新型材料应用。

超声波电动机在实际应用中对材料的特性和品质要求非常高，因此可以探索和研发新型材料，比如新型陶瓷材料，提高电机的效率和性能。

2.探索新型结构。

超声波电动机的结构设计对其性能影响很大，可以尝试使用新型的结构设计，比如改变振动模式，增加谐振腔等，提高超声波电动机的转速和效率。

3.优化控制系统。

超声波电动机的控制系统对其性能和精度也有很大的影响，可以通过探索新的控制算法和方法，提高控制系统的响应速度和稳定性，从而提高超声波电动机的性能和精度。

4.应用人工智能技术。

人工智能技术在工业应用中得到了广泛的应用，可以尝试将人工智能技术应用到超声波电动机中，通过学习和优化算法，提高电机的效率和性能，实现更加智能化的控制。

5.探索新的应用场景。

超声波电动机在不同的应用场景下性能要求不同，可以探索新的应用场景，如航空航天、医疗设备等领域，从而推动超声波电动机技术的进一步发展和创新。

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。