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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。
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。
超声波电机的原理与应用周传运 超声波电机(Ultrasonic Motor ,USM )是国外近20年发展起来的一种新型电机。
事实上,在超声波电机问世之前,已有以压电效应驱动的电机,但其频率并不局限于超声波范围。
早在1948年,威廉和布朗就申请了“压电马达”的美国专利;1964年,前苏联基辅理工学院设计了第一个压电旋转电机;1970～1972年,西门子公司和松下公司发明了压电步进电机,不过因无法达到较大的输出转矩而没能实际应用。
1980年,日本的指田年生研制成超声波压电电动机(即现代意义上的超声波电动机),克服了传统压电电动机转换效率低和变位微小的缺陷,使压电电动机进入工业实用阶段。
一、超声波电机的原理和结构超声波电机的原理 超声波电机利用压电材料的逆压电效应①产生超声波振动,把电能转换为弹性体的超声波振动,并把这种振动通过摩擦传动的方式驱使运动体回转或直线运动。
磁极和绕组,它一般由振动体②和移动体③组成,为了减少振动体和移动体之间相对运动产生的磨损,通常在二者间加一层摩擦材料。
当在振动体的压电陶瓷(PZT )上施加20KHz 以上超声波频率的交流电压时,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。
根据这一思想,日、德等国近几年相继研发出多种超声波电机,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。
下面以行波型USM 的旋转说明其工作原理。
行波型USM 要旋转,需具备两个条件: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。
超声电机原理及未来发展摘要超声电机起源于上世纪八十年代，前后经历了数十年的发展。
具有力矩/质量比大，结构紧凑，低速大扭矩，响应快，电磁兼容性和控制性能好等突出优点；并已各个领域得到广泛的应用。
超声电机理论、方法、制作、应用、研究都取得丰富的成果。
其原理是利用压电材料的逆压电效应使得驻波叠加形成行波实现能量转换，最终通过定转子之间摩擦实现转子运转。
其使用的压电材料为压电陶瓷，压电材料和摩擦材料均应达到一定的要求。
目前超声电机还存在一定缺陷亟待完善，但未来超声电机其必将向各个领域发展，并得到广泛应用。
关键词：超声电机经历逆压电效应振动驻波行波压电材料缺陷发展AbstractUltrasonic motor originated in the eighty's of the last century, and has experienced decades of development. With torque / mass ratio, compact structure, high torque at low speed, quick response, outstanding advantages of electromagnetic compatibility and good control performance; widely used in various fields . Theory, method, ultrasonic motor manufacture, application, research have seen abundant achievements. Its principle is to use the inverse piezoelectric effect of piezoelectric material which can engender standing wave superimposition ,thus producing traveling wave, then the friction between the stator and rotor cause the rotor to move，realizing the energy conversion. The use of piezoelectric materials for the piezoelectric ceramics, piezoelectric material and friction materials shall meet certain requirements. The ultrasonic motor also has some defects to be improved, but the future for ultrasonic motor is bound to be the development in all fields, and extremely wide use.Key words：Ultrasonic motor Experience Inverse piezoelectric effect Vibration Standing wave Traveling wave Piezoelectric materialDefect development目录引言 (5)1、超声电机的发展与当今的应用 (6)2、超声电机工作原理 (8)2.1逆压电效应 (8)2.2椭圆运动 (9)2.3行波产生与转子运动的形成 (10)3、超声电机压电材料和摩擦材料 (12)3.1压电材料概述 (12)3.2超声电机用压电材料 (12)3.3所用压电材料的性能 (12)3.4摩擦材料 (13)4、超声电机的未来 (13)4.1超声电机未来的应用 (13)4.2超声电机未来亟待完善之处 (13)结语 (14)参考文献 (14)引言超声电机起于上世纪八十年代，具有力矩/质量比大，结构紧凑，低速大扭矩，响应快，电磁兼容性和控制性能好等突出优点；并已在机器人、精密仪器仪表、医疗器械、航空航天及新型武器装备等领域得到广泛的应用。
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。
从而使转子连续不断地旋转。
因此，超声波电动机定子的任务就是采用合理的结构，通过各种振动的组合来形成椭圆运动。
那么，怎样才能形成椭圆运动呢?设有两个空间相互垂直的振动位移ux和uy，均是由简谐振动形成，振动角频率为ω0，振幅分别为ξx和ξy，时间相位差为ψ即有
从中消去时间t，则有
式(9-2)中,当ψ=nπ(n=0,±l，±2．…)时，两个位移为同向运动，合成轨迹
为一条直线；当ψ≠nπ时，其轨迹为一椭圆，并且在ψ=nπ±π／2时为一规则椭圆。
不同相位差时的椭圆形态如图9 -4所示。
由此可见，相位差ψ的取值就决定了椭圆运动的旋转方向．当ψ>O时．椭圆运动为顺时针方向，当ψ<O 时，椭圆运动为逆时针方向。
由于椭圆运动的旋转方向决定了定子对转子的拨动方向，因此也就决定了超声波电动机的转子转向。
三、行波的形成及特点
上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。
单靠一个质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载，而应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋转，也就是说这些质点需要进行行波眭质的运动。
根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间和空问均相差π／2的两相驻波叠加后．将形成一个合成行波。
如图9 5(a)所示，将极化方向相反的压电体依次粘结在弹性体上．当在压电体极化方向施加交变电压时，压电体在长度方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振电压频率ω0下，弹性体上将产生如图9-5(b)所示的驻波．其数学表达式为
式中：χ为横向坐标；y为纵向坐标；ξ为驻波波幅：λ为驻波波长。
设在弹性体上同时存在两相驻波A和B，它们的频率同为ω0．波幅同为ξ．波长同为λ并且在时间和
空间上均相差π／2，即
其合成为
这是一个频率为ω0、波幅为ξ、波长为λ的行波。
在环形行波型超声波电动机中，定子上的压电陶瓷环是行波形成的核心，它的电极配置如图9—6所示，其中。
＋”、－”表示极化方向。
压电陶瓷片按照一定规律分割极化后分为A、B两相区，两相空间排列相差π／2(1／4波长)，并且分别施加在时间上也相差π／2的高频交流电(E1和E2)A、B两相分别在弹性体上激起驻波。
两相驻波叠加后，将形成一个沿定子圆周方向的合成行波，推动转子旋转。
压电陶瓷片的厚度决定了在一定电压下是否能够起振，如果压电陶瓷片太厚(大于1．5mm)，则在通常情况下不易起振；如果压电陶瓷片太薄(小于O．3mm)，则在高频谐振条件下，由于形变过大而容易发生断裂，并且加工难度也会增大。
另外，压电陶瓷片的厚度对压电振子的固有谐振频率
影响较大，通常取其厚度为0．5～0．8mm。
由上可见．由两个驻波叠加而形成行波，这在机理上与电机学中的旋转磁场理论有诸多相似之处。
由本书第四章知道，当在单相绕组中通人单相交流电流时产生的是脉振磁场，如果有两个匝数相同、空间互差90°电角度的绕组，当在其中通人幅值相等、时间相位互差90°的对称交流电流时，
所产生的两个脉振磁场的合成就是一个圆形的旋转磁场，旋转磁场的转向取决于电流的相序。
在这里．弹性体中的驻波与单相脉振磁场相对应．而合成行波与旋转磁场相对应。
将超声波电动机的行波与交流电机的旋转磁场联系起来，有助于对行波型超声波电动机工作原理的理解。
四、转子运动速度
下面通过分析弹性体表面上任意一点的运动轨迹，来确定转子运动的速度。
根据式(9-5)，在任意时刻f，弹性体表面上某点P的纵向振动位移为
设弹性体的厚度为H，则P点的横向振动位移为由式(9 6)和式(9—7)，得
由此可见，弹性体表面上任意一点的运动轨迹为椭圆形，这种椭圆运动使得弹性体表面质点对转子产生连续的定向拨动作用．且转子的运动方向与行波方向相反，如图9-7所示(图9—7中小箭头表示弹性体表面质点的瞬时速度)。
显然，如果改变激振电源的电压极性，便可以改变转子的运动方向。
根据式(9 7)，弹性体表面质点的横向运动速度为
横向速度的最大值应出现在行波的波峰或波谷处。
此时的表面质点没有纵向速度，耳．横向速度与行波方向相反(见图9-7)。
若定、转子接触面之间没有滑动，则转子的运动速度与波峰处质点的横向速度相等，其值为
式中：负号表示转子的运动方向与行波方向相反。
实际上，定、转子接触面之间的滑动是难免的，因此超声波电动机转子的实际运动速度总是低于式(9-10)的值。
设行波在定子弹性体中的传播速度为υ由行波的基本特性可知
这样，转子运动速度又可写为
可见，在行波传播速度υ为恒值的情况下，改变激振电压的频率f0可以快速改变转速但存在一定的非线性。
而改变激振电压的大小，即改变行波的振幅ξ，也可以改变转速。
如果忽略压电体逆压电效应的非线性，则转速可以随激振电压做线性变化，这就是超声波电动机变压调速的特点。
五、工作特性
一般而言，超声波电动机的工作特性与电磁式直流伺服电动机类似，电动机的转速随着转矩的增大而下降，并且呈现一定的非线性。
而超声波电动机的效率则与电磁式电机不同，最大效率出现在低速、大转矩区域，图9-8所示为超声波电动机的工作特性。
因此，超声波电动机非常适合低速运行。
总体而言，超声波电动机的效率较低．这是它的一个缺点。
目前。
环形行波型超声波电动机的效率一般不超过50％。
