特種電機及其控制 超聲波電動機ppt課件

1、第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機1 超聲波電動機的根本原理超聲波電動機的根本原理 3 3 超聲波電動機的優(yōu)點及其運用超聲波電動機的優(yōu)點及其運用 2 2 超聲波電動機的開展超聲波電動機的開展 6 6 超聲波電機存在的問題及研討重點超聲波電機存在的問題及研討重點 4 4 超聲波電動機的常見構造與分類超聲波電動機的常見構造與分類 5 5 行波型超聲波電動機的驅動控制行波型超聲波電動機的驅動控制 教學根本要求教學根本要求分析與思索分析與思索練習題練習題前往主頁前往主頁第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機超聲波電動機超聲波

2、電動機(Ultrasonic Motor，簡稱，簡稱USM)是近年來開展起來的一種全新概念的驅動安是近年來開展起來的一種全新概念的驅動安裝，它利用壓電資料的逆壓電效應裝，它利用壓電資料的逆壓電效應(即電致伸即電致伸縮效應縮效應)，把電能轉換為彈性體的超聲振動，把電能轉換為彈性體的超聲振動，并經過摩擦傳動的方式轉換成運動體的回轉并經過摩擦傳動的方式轉換成運動體的回轉或直線運動。這種新型電機普通任務于或直線運動。這種新型電機普通任務于20kHz以上的頻率，故稱為超聲波電動機。以上的頻率，故稱為超聲波電動機。 1 超聲波電動機的根本原理超聲波電動機的根本原理上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上

3、一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)超聲波電動機的不同命名：如振動電動機超聲波電動機的不同命名：如振動電動機(Vibration (Vibration Motor)Motor)、壓電電動機、壓電電動機(Piezoelectric Motor)(Piezoelectric Motor)、外表波電動、外表波電動機機(Surface Wave Motor)(Surface Wave Motor)、壓電超聲波電動機、壓電超聲波電動機(Piezoelectric Ultrasonic Motor)(Piezoelectric Ultrasonic Motor)、超聲波壓電驅動器、超聲波壓電驅動器/ /執(zhí)行器執(zhí)行器(Ultr

4、asonic piezoelectric actuator)(Ultrasonic piezoelectric actuator)等等。等等。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機1.1 超聲波電動機的構造超聲波電動機的構造上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié) 超聲波電動機由定子超聲波電動機由定子( (振動體振動體) )和轉子和轉子( (挪動體挪動體) )兩部分組成兩部分組成 但電機中既沒有線圈也沒有永磁體，其定子由彈性體但電機中既沒有線圈也沒有永磁體，

5、其定子由彈性體(Elastic body)(Elastic body)和壓電陶瓷和壓電陶瓷(Piezoelectric ceramic)(Piezoelectric ceramic)構成構成 轉子為一個金屬板。定子和轉子在壓力作用下嚴密接觸，為轉子為一個金屬板。定子和轉子在壓力作用下嚴密接觸，為了減少定、轉子之間相對運動產生的磨損，通常在二者之間了減少定、轉子之間相對運動產生的磨損，通常在二者之間( (在轉子上在轉子上) )加一層摩擦資料。加一層摩擦資料。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)任務原理：對極化后的壓電陶瓷元件

6、施加任務原理：對極化后的壓電陶瓷元件施加定的高頻交變電壓，定的高頻交變電壓，壓電陶瓷隨著高頻電壓的幅值變化而膨脹或收縮，從而在定子壓電陶瓷隨著高頻電壓的幅值變化而膨脹或收縮，從而在定子彈性體內激發(fā)出超聲波振動，這種振動傳送給與定子嚴密接觸彈性體內激發(fā)出超聲波振動，這種振動傳送給與定子嚴密接觸的摩擦資料以驅動轉子旋轉。的摩擦資料以驅動轉子旋轉。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)當對粘接在金屬彈性體上的兩片壓電陶瓷施加相位差為當對粘接在金屬彈性體上的兩片壓電陶瓷施加相位差為9090電角度的高頻電電角度的高頻電壓時，在彈性體內產

7、生兩組駐波壓時，在彈性體內產生兩組駐波(Standing Wave)(Standing Wave)，這兩組駐波合成一個沿定，這兩組駐波合成一個沿定子彈性體圓周方向行進的行波子彈性體圓周方向行進的行波(Progressive Wave/Travelling Wave)(Progressive Wave/Travelling Wave)，使得，使得定子外表的質點構成一定運動軌跡定子外表的質點構成一定運動軌跡( (通常為橢圓軌跡通常為橢圓軌跡) )的超聲波微觀振動，其的超聲波微觀振動，其振幅普通為數微米，這種微觀振動經過定子振幅普通為數微米，這種微觀振動經過定子( (振動體振動體) )和轉子和轉子(

8、 (挪動體挪動體) )之間的之間的摩擦作用使轉子摩擦作用使轉子( (挪動體挪動體) )沿某一方向沿某一方向( (逆行波傳播方向逆行波傳播方向) )做延續(xù)宏觀運動。做延續(xù)宏觀運動。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)A. A. 行波的構成行波的構成 將極化方向相反的壓電陶瓷依將極化方向相反的壓電陶瓷依次粘貼于彈性體上，當在壓電次粘貼于彈性體上，當在壓電陶瓷上施加交變電壓時，壓電陶瓷上施加交變電壓時，壓電陶瓷會產生交替伸縮變形，在陶瓷會產生交替伸縮變形，在一定的頻率和電壓條件下，彈一定的頻率和電壓條件下，彈性體上會產生圖示的駐

9、波，用性體上會產生圖示的駐波，用方程表示為方程表示為 1) 高頻電壓高頻電壓駐波駐波txy00cos2cos1.2 USM1.2 USM的任務原理的任務原理第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)A.A.行波的構成行波的構成 2) 兩駐波兩駐波行波行波設設A A、B B兩個駐波的振幅同為兩個駐波的振幅同為0 0，二者在時間和空間上分別，二者在時間和空間上分別相差相差9090，方程分別為，方程分別為 txyA00sin2sintxyB00cos2costxyyyBA002cos在彈性體中，這兩個駐波的合成為一行波在彈性體中，這兩個

10、駐波的合成為一行波 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)A.A.行波的構成行波的構成 3) 在在USM中構成行波中構成行波USMUSM的定子由環(huán)形彈性體和環(huán)形壓的定子由環(huán)形彈性體和環(huán)形壓電陶瓷構成，壓電陶瓷按圖示的電陶瓷構成，壓電陶瓷按圖示的規(guī)律極化，即可產生兩個在時間規(guī)律極化，即可產生兩個在時間和空間上都相差和空間上都相差9090的駐波。的駐波。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)B.B.彈性體外表的橢圓運動彈性體外表的橢圓運動 設彈性體厚度為設彈性體厚

11、度為h h。假設彈。假設彈性體外表任一點性體外表任一點P P在彈性體在彈性體未撓曲時的位置為未撓曲時的位置為P0P0，那，那么從么從P0P0到到P P在在y y方向的位移方向的位移為為 )cos1 (22sin00htxy由于行波的振幅比行波的波長小得多，彈性體彎曲的角度由于行波的振幅比行波的波長小得多，彈性體彎曲的角度 很小，故很小，故y y方方向的位移近似為向的位移近似為txy002sin第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)B.B.彈性體外表的橢圓運動彈性體外表的橢圓運動 從從P0P0到到P P在在x x方向的位移為方

12、向的位移為2sin2hhxtxdxdy002cos2txhx002cos又又所以所以第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)22001yxh彈性體外表上恣意一點彈性體外表上恣意一點P P按照橢圓軌跡運動，這種運動使彈性按照橢圓軌跡運動，這種運動使彈性體外表質點對挪動體產生一種驅動力，且挪動體的運動方向與體外表質點對挪動體產生一種驅動力，且挪動體的運動方向與行波方向相反。行波方向相反。B.B.彈性體外表的橢圓運動彈性體外表的橢圓運動 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)

13、下一節(jié)下一節(jié)彈性體外表質點的橫向運動速度為彈性體外表質點的橫向運動速度為0002sinxpdhvxtdt 橫向速度在行波的波峰和波谷處最大。假設假設在彈性體與挪動體接觸處橫向速度在行波的波峰和波谷處最大。假設假設在彈性體與挪動體接觸處的滑動為零，那么挪動體的運動速度與波峰處質點橫向速度一樣。其最大的滑動為零，那么挪動體的運動速度與波峰處質點橫向速度一樣。其最大速度為速度為22max0002hhvfv V行波在定子中的傳播速度行波在定子中的傳播速度 f 電機的激振頻率電機的激振頻率 調理激振頻率可以調理電機的轉速，但是有非線性。在堅持調理激振頻率可以調理電機的轉速，但是有非線性。在堅持兩相駐波等

14、幅的前提下，假設忽略壓電陶瓷的應變隨鼓勵電兩相駐波等幅的前提下，假設忽略壓電陶瓷的應變隨鼓勵電壓的非線性，改動駐波的振幅壓的非線性，改動駐波的振幅0 0，即調理壓電陶瓷的激振，即調理壓電陶瓷的激振電壓，可以做到線性調速，這是調壓調速的一大優(yōu)點。電壓，可以做到線性調速，這是調壓調速的一大優(yōu)點。 C.USMC.USM的調速方法的調速方法第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)2 2 超聲波電動機的開展超聲波電動機的開展 超聲波電動機的開展大體可分為以下三個階段：超聲波電動機的開展大體可分為以下三個階段： 探求階段探求階段(1948

15、年年20世紀世紀70年代末年代末) USM 原型出現原型出現適用化階段適用化階段(20世紀世紀70年代末年代末80年代末年代末) 商用商用USM 產品出現產品出現深層次研討深層次研討(20世紀世紀90年代年代) 機理、資料、構造、驅動控制、運用機理、資料、構造、驅動控制、運用 多樣化多樣化第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)1. 探求階段探求階段(1948年年20世紀世紀70年代末年代末)1超聲波電動機的概念出現于超聲波電動機的概念出現于1948年，英國的年，英國的Williams和和Brown懇求了懇求了“壓電電動機壓電

16、電動機(Piezoelectric Motor)的專利，提出的專利，提出了將振動能作為驅動力的想象，然而由于當時實際與技術的局了將振動能作為驅動力的想象，然而由于當時實際與技術的局限，有效的驅動安裝未能得以實現。限，有效的驅動安裝未能得以實現。21961年，年，Bulova Watch Ltd公司初次利用彈性體振動來驅公司初次利用彈性體振動來驅動鐘表齒輪，任務頻率為動鐘表齒輪，任務頻率為360Hz，這種鐘表走時準確，每月的，這種鐘表走時準確，每月的誤差只需一分鐘，突破了那個時代的紀錄，引起了驚動。誤差只需一分鐘，突破了那個時代的紀錄，引起了驚動。3前蘇聯學者前蘇聯學者V. V. Lavrine

17、nko 于于1964年設計了第一臺壓電旋年設計了第一臺壓電旋轉電機，以后前蘇聯在超聲波電機研討領域一度處于世界領先轉電機，以后前蘇聯在超聲波電機研討領域一度處于世界領先程度，如設計了用于微型機器人的有程度，如設計了用于微型機器人的有2 或或3 個自在度的超聲波個自在度的超聲波電機、電機、 人工超聲肌肉及超聲步進電機等。不過，由于言語等方人工超聲肌肉及超聲步進電機等。不過，由于言語等方面的緣由面的緣由, 前蘇聯的一些重要研討成果并未被西方科學界所充前蘇聯的一些重要研討成果并未被西方科學界所充分了解。分了解。41969 年，英國年，英國Salfod 大學的兩名教授引見了一種伺服壓電大學的兩名教授引

18、見了一種伺服壓電電機，這種電機采用二片式壓電體構造，其速度、運動方式和電機，這種電機采用二片式壓電體構造，其速度、運動方式和方向都可以恣意變化，呼應速度也是傳統構造電機所不能及的。方向都可以恣意變化，呼應速度也是傳統構造電機所不能及的。5美國美國IBM 公司的公司的Barth 也在也在1973 年提出了一種超聲波電動年提出了一種超聲波電動機的模型，從而使這種新型電機可以實現真正意義上的任務。機的模型，從而使這種新型電機可以實現真正意義上的任務。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機2. 適用化階段適用化階段(20世紀世紀70年代末年代末80年代末年代末)1978年，前蘇聯的年，前

19、蘇聯的Vasiliev勝利地構造了一種可以驅動較大負載的壓電超聲勝利地構造了一種可以驅動較大負載的壓電超聲波電動機，這種電機運用由位于兩個金屬塊之間的壓電元件所組成的超聲波電動機，這種電機運用由位于兩個金屬塊之間的壓電元件所組成的超聲換能器，將該換能器激起與轉子接觸的振動片縱向振動，經過振動片與轉換能器，將該換能器激起與轉子接觸的振動片縱向振動，經過振動片與轉子間的摩擦來驅動轉子轉動。這種構造的優(yōu)點在于不僅能降低共振頻率，子間的摩擦來驅動轉子轉動。這種構造的優(yōu)點在于不僅能降低共振頻率，而且能放大振幅，遺憾的是，這種電機在運轉時由于溫度的升高、摩擦及而且能放大振幅，遺憾的是，這種電機在運轉時由于

20、溫度的升高、摩擦及磨損等緣由，很難堅持振動片的恒幅振動。磨損等緣由，很難堅持振動片的恒幅振動。日本的日本的T. Sashida在在Vasiliev的研討根底上，于的研討根底上，于1980年提出并勝利地制造了年提出并勝利地制造了一種駐波型超聲波電動機。該電機運用一種駐波型超聲波電動機。該電機運用Langevin激振器，驅動頻率為激振器，驅動頻率為27.8 kHz，電輸入功率為，電輸入功率為90W，機械輸出功率為，機械輸出功率為50W，輸出扭矩為，輸出扭矩為0.25N m，初次到達了可以滿足實踐運用的要求，但由于振動片與轉子的接觸是固定初次到達了可以滿足實踐運用的要求，但由于振動片與轉子的接觸是固

21、定在一個位置上，仍存在著接觸外表上摩擦和磨損等問題。在一個位置上，仍存在著接觸外表上摩擦和磨損等問題。上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機19821982年，年，SashidaSashida又提出并制造了另一臺超聲波電動機又提出并制造了另一臺超聲波電動機行波型超聲波行波型超聲波電動機，從原來的由駐波定點、定期推進轉子變換成由行波延續(xù)不斷地推電動機，從原來的由駐波定點、定期推進轉子變換成由行波延續(xù)不斷地推進轉子，大大地降低了定子與轉子接觸面上的摩擦和磨損。這種電機可以進轉子，大大地降低了定子與轉子接觸面上的摩擦和磨損。這種電

22、機可以運轉的本質就是定子外表的質點構成了橢圓運動。之后，在日本掀起了利運轉的本質就是定子外表的質點構成了橢圓運動。之后，在日本掀起了利用各種振動模態(tài)的研討熱潮，如利用縱向、彎曲、改動等振動來獲得橢圓用各種振動模態(tài)的研討熱潮，如利用縱向、彎曲、改動等振動來獲得橢圓運動。這種電機的研討勝利，為超聲波電動機走向適用階段奠定了根底。運動。這種電機的研討勝利，為超聲波電動機走向適用階段奠定了根底。19871987年，行波超聲波電動機終于到達了商業(yè)運用程度。以后許多超聲波電年，行波超聲波電動機終于到達了商業(yè)運用程度。以后許多超聲波電動機新產品不斷地研制出來并推向市場。到動機新產品不斷地研制出來并推向市場。

23、到2020世紀世紀8080年代中期日本已構成年代中期日本已構成三個系列的超聲波電動機：即日立馬克賽爾公司的駐波改動耦合器系列、三個系列的超聲波電動機：即日立馬克賽爾公司的駐波改動耦合器系列、松下電器公司的行波系列和新生公司的彎曲波模態(tài)系列。除日本外，松下電器公司的行波系列和新生公司的彎曲波模態(tài)系列。除日本外，Electro Mechanical Systems Electro Mechanical Systems 公司也推出了英國第一個商用超聲波電動公司也推出了英國第一個商用超聲波電動機系列產品機系列產品USR30USR30。上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章

24、章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機3. 深層次研討深層次研討(20世紀世紀90年代年代)在在20世紀世紀80年代，國外的研討任務主要集中在研討新的驅動機理、構造新年代，國外的研討任務主要集中在研討新的驅動機理、構造新的構造方式、開發(fā)新型電機等方面，著重于動力傳輸的實現，尚未能顧及的構造方式、開發(fā)新型電機等方面，著重于動力傳輸的實現，尚未能顧及到性能的改善。由于對超聲波電動機的根底實際研討得不夠透徹，沒有構到性能的改善。由于對超聲波電動機的根底實際研討得不夠透徹，沒有構成完好的設計實際，使超聲波電動機的研討帶有一定程度的盲目性。直到成完好的設計實際，使超聲波電動機的研討帶有一定程度的盲目性。

25、直到90年代后，超聲波電動機的建模、性能預測等實際問題才開場引起關注，年代后，超聲波電動機的建模、性能預測等實際問題才開場引起關注，但至今尚無系統的論述。但至今尚無系統的論述。目前，世界各國對超聲波電動機的研討極為活潑，超聲波電動機的研討趨目前，世界各國對超聲波電動機的研討極為活潑，超聲波電動機的研討趨向多元化。例如，美國利用其先進的資料和向多元化。例如，美國利用其先進的資料和IC工藝研制出的微型超聲波電工藝研制出的微型超聲波電動機，其尺寸僅有數百微米動機，其尺寸僅有數百微米(250m500m2m)，驅動電壓的典型值，驅動電壓的典型值是是5V，最低為，最低為1.5V，轉速為，轉速為150r/m

26、in。而大型超聲波電動機的扭矩達。而大型超聲波電動機的扭矩達400N m。上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機3 3 超聲波電動機的優(yōu)點及其運用超聲波電動機的優(yōu)點及其運用超聲波電動機將電致伸縮、超聲振動、動搖原理這些毫不相關的概念與超聲波電動機將電致伸縮、超聲振動、動搖原理這些毫不相關的概念與電機聯絡在一同，發(fā)明出一種完全新型的電動機。電機聯絡在一同，發(fā)明出一種完全新型的電動機。 (1) (1) 低速大轉矩低速大轉矩: : 在超聲波電機中，超聲振動的振幅普通不超越幾微米，在超聲波電機中，超聲振動的振幅普通不超越幾微米，振動

27、速度只需幾厘米每秒到幾米每秒。無滑動時轉子的速度由振動速度振動速度只需幾厘米每秒到幾米每秒。無滑動時轉子的速度由振動速度決議，因此電機的轉速普通很低，每分鐘只需十幾轉到幾百轉。由于定決議，因此電機的轉速普通很低，每分鐘只需十幾轉到幾百轉。由于定子和轉子間靠摩擦力傳動，假設兩者之間的壓力足夠大，轉矩就很大。子和轉子間靠摩擦力傳動，假設兩者之間的壓力足夠大，轉矩就很大。(2) (2) 體積小、分量輕體積小、分量輕: : 超聲波電機不用線圈，也沒有磁鐵，構造相對簡超聲波電機不用線圈，也沒有磁鐵，構造相對簡單，與普通電機相比，在輸出轉矩一樣的情況下，可以做得更小、更輕、單，與普通電機相比，在輸出轉矩一

28、樣的情況下，可以做得更小、更輕、更薄。更薄。(3) (3) 反響速度快，控制特性好反響速度快，控制特性好: : 超聲波電動機靠摩擦力驅動，挪動體的超聲波電動機靠摩擦力驅動，挪動體的質量較輕，慣性小，呼應速度快，起動和停頓時間為毫秒量級。因此它質量較輕，慣性小，呼應速度快，起動和停頓時間為毫秒量級。因此它可以實現高精度的速度控制和位置控制。可以實現高精度的速度控制和位置控制。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機3 3 超聲波電動機的優(yōu)點及其運用超聲波電動機的優(yōu)點及其運用第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機由于超聲波電動機具有電磁電機所不具備的許多特點，雖由于超聲波電動

29、機具有電磁電機所不具備的許多特點，雖然它的發(fā)明與開展僅有然它的發(fā)明與開展僅有2020多年的歷史，但在宇航、機器人、多年的歷史，但在宇航、機器人、汽車、精細定位、醫(yī)療器械、微型機械等領域已得到勝利汽車、精細定位、醫(yī)療器械、微型機械等領域已得到勝利的運用。的運用。日本日本CanonCanon公司將超聲波電機用于其公司將超聲波電機用于其EOS620/650EOS620/650自動聚焦單自動聚焦單鏡頭反射式照相機中；鏡頭反射式照相機中；歐洲將超聲波電機用于實驗平臺及微動設備，如歐洲將超聲波電機用于實驗平臺及微動設備，如19861986年獲年獲NobelNobel物理學獎的掃描隧道顯微鏡物理學獎的掃描隧

30、道顯微鏡(STM)(STM)；美國在宇宙飛船、火星探測器、導彈、核彈頭等航空航天美國在宇宙飛船、火星探測器、導彈、核彈頭等航空航天工程中也都陸續(xù)運用了超聲波電動機。工程中也都陸續(xù)運用了超聲波電動機。3 3 超聲波電動機的優(yōu)點及其運用超聲波電動機的優(yōu)點及其運用第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)Tiny, Ultrasonic, Piezoelectric Motors Penn State University，USAChina Develops Worlds Thinnest Ultrasonic Motor (Peop

31、les Daily Online, December 06, 2001)The white cylindrical motor, developed by Chinas prestigious Qinghua University, is 5-millimeter long and weighs 36 mg. Its diameter is only one millimeter. The mini motor can be used in medical applications, bioscience and national defense. 清華大學研制的微型超清華大學研制的微型超聲電

32、機聲電機20012001第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)日本日本Canon 公司將公司將USM用于用于照相機的聚焦系統照相機的聚焦系統第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機NASA NASA 將超聲電機用于空間機器人技術將超聲電機用于空間機器人技術Coddar Space F ligh t Cen ter Coddar Space F ligh t Cen ter 將超聲電機運用于空間將超聲電機運用于空間機器人技術。其中微型機器手機器人技術。其中微型機器手MicroArm I MicroArm I 運用了具

33、有力矩運用了具有力矩0. 05 Nm 0. 05 Nm 的超聲電機?；鹦菣C器手的超聲電機。火星機器手MarsArm II MarsArm II 運用了運用了3 3個個具有力矩為具有力矩為0. 68Nm 0. 68Nm 和一個具有和一個具有0. 11 Nm 0. 11 Nm 的超聲電機的超聲電機第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機美國美國Vanderbilt 大學將超聲電機運用于微型飛行器大學將超聲電機運用于微型飛行器上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)美國加州大學研制的智能藥片美國加州大學研制的智能藥片第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機4 4

34、超聲波電動機的常見構造與分類超聲波電動機的常見構造與分類(1) (1) 環(huán)狀或盤式行波型超聲波電動機環(huán)狀或盤式行波型超聲波電動機 由底部粘接著壓電陶瓷元件的環(huán)狀定子和環(huán)狀轉子構成。對極化后的壓電由底部粘接著壓電陶瓷元件的環(huán)狀定子和環(huán)狀轉子構成。對極化后的壓電陶瓷元件施加陶瓷元件施加定的高頻交變電壓，在定子彈性體中構成沿圓周方向的彎定的高頻交變電壓，在定子彈性體中構成沿圓周方向的彎曲行波。對定、轉子施加一定的預壓力，轉子遭到與行波傳播方向相反的曲行波。對定、轉子施加一定的預壓力，轉子遭到與行波傳播方向相反的摩擦力作用而延續(xù)轉動，定子上的齒槽用于改善電機的任務性能。摩擦力作用而延續(xù)轉動，定子上的齒

35、槽用于改善電機的任務性能。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)(2) (2) 直線式行波型超聲波電動機直線式行波型超聲波電動機第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)(3) 駐波型超聲波電動機駐波型超聲波電動機SashidaSashida研制的楔形駐波型超聲波電動機研制的楔形駐波型超聲波電動機: :由由LangevinLangevin振子、振子前端的楔形振動片振子、振子前端的楔形振動片和轉子三部分組成。和轉子三部分組成。振子的端面沿長度方向振動，楔形構造

36、振動片的前端面與轉子外表略微振子的端面沿長度方向振動，楔形構造振動片的前端面與轉子外表略微傾斜接觸傾斜接觸( (夾角為夾角為) )，誘發(fā)振動片前端產生向上運動的分量，產生橫向，誘發(fā)振動片前端產生向上運動的分量，產生橫向共振，縱橫振動合成的結果，使振動片前端質點的運動軌跡近似為橢圓。共振，縱橫振動合成的結果，使振動片前端質點的運動軌跡近似為橢圓。振動片向上運動時，振動片與轉子接觸處的摩擦力驅動轉子運動；向下振動片向上運動時，振動片與轉子接觸處的摩擦力驅動轉子運動；向下運動時，脫離接觸，沒有運動的傳送，轉子依托其慣性堅持方向向上的運動時，脫離接觸，沒有運動的傳送，轉子依托其慣性堅持方向向上的運動形

37、狀。運動形狀。這種電機設計簡單，但存在兩個缺陷：在振動片與轉子接觸處磨損嚴重；這種電機設計簡單，但存在兩個缺陷：在振動片與轉子接觸處磨損嚴重；轉子轉速較難控制，僅能一方向旋轉。轉子轉速較難控制，僅能一方向旋轉。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機日立日立MaxellMaxell公司的改良型駐公司的改良型駐波超聲波電動機，采用機械波超聲波電動機，采用機械改動銜接器取代了楔形振動改動銜接器取代了楔形振動片，借助改動銜接器將壓電片，借助改動銜接器將壓電振子產生的縱向振動誘發(fā)出振子產生的縱向振動誘發(fā)出改動振動，兩種振動在改動改動振動，兩種振動在改動銜接器前端合成質點橢圓運銜接器前端合成

38、質點橢圓運動軌跡，驅動轉子旋轉。這動軌跡，驅動轉子旋轉。這種電機轉速到達種電機轉速到達120r/min120r/min，輸出轉矩輸出轉矩1.3N1.3Nm m，能量轉換，能量轉換效率為效率為8080，超越傳統電磁，超越傳統電磁型電機。型電機。 (3) 駐波型超聲波電動機駐波型超聲波電動機采用改動銜接器的駐波型超采用改動銜接器的駐波型超聲波電動機聲波電動機 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機 駐波超聲波電動機是利用在彈性體內激發(fā)的駐波來驅動挪駐波超聲波電動機是利用在彈性體內激發(fā)的駐波來驅動挪動體挪動。但是，單一的駐波并不能傳送能量，由于彈性體動體挪動。但是，單一的駐波并不能傳送能

39、量，由于彈性體外表質點作同相振動。因此，駐波型超聲波電動機經過激發(fā)外表質點作同相振動。因此，駐波型超聲波電動機經過激發(fā)并合成相互垂直的兩個駐波，使得彈性體外表質點作橢圓振并合成相互垂直的兩個駐波，使得彈性體外表質點作橢圓振動，直接或間接地驅動挪動體運動而輸出能量。動，直接或間接地驅動挪動體運動而輸出能量。根據鼓勵兩個駐波振動的方式不同根據鼓勵兩個駐波振動的方式不同, ,駐波超聲波電動機分為駐波超聲波電動機分為縱扭振動復合型縱扭振動復合型: :采用兩個獨立的壓電振子分別激發(fā)相互垂直采用兩個獨立的壓電振子分別激發(fā)相互垂直的兩個駐波振動，合成彈性體外表質點的橢圓振動軌跡。的兩個駐波振動，合成彈性體外

40、表質點的橢圓振動軌跡。模態(tài)轉換型：模態(tài)轉換型僅有一個壓電振子激發(fā)某一方向的模態(tài)轉換型：模態(tài)轉換型僅有一個壓電振子激發(fā)某一方向的振動，再經過一個機械轉換振子同時誘發(fā)與其垂直的振動，振動，再經過一個機械轉換振子同時誘發(fā)與其垂直的振動，二者合成彈性體外表質點的橢圓振動軌跡，驅動挪動體運動。二者合成彈性體外表質點的橢圓振動軌跡，驅動挪動體運動。如前兩例如前兩例第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機縱扭復合型超聲波電動機構造縱扭復合型超聲波電動機構造定子由兩個獨立的振子所定子由兩個獨立的振子所組成：縱向振子控制定子與轉子之間的摩擦力組成：縱向振子控制定子與轉子之間的摩擦力( (正壓力正壓力)

41、 )；改；改動振子控制輸出轉矩。動振子控制輸出轉矩。由于兩種復合運動可獨立控制，所以其輸出轉矩大，任務穩(wěn)由于兩種復合運動可獨立控制，所以其輸出轉矩大，任務穩(wěn)定，可雙向運動，并且為設計者提供了較大的設計空間。定，可雙向運動，并且為設計者提供了較大的設計空間。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機4 4非接觸式超聲波電動機非接觸式超聲波電動機 定子與轉子之間不直接接觸，而定子與轉子之間不直接接觸，而是在它們之間填充一種介質：液是在它們之間填充一種介質：液體或氣體。當定子振動時，也就體或氣體。當定子振動時，也就引起了介質的振動，在介質與轉引起了介質的振動，在介質與轉子的接觸面就構成了摩

42、擦力，從子的接觸面就構成了摩擦力，從而驅動轉子運轉。非接觸式超聲而驅動轉子運轉。非接觸式超聲波電動機是以犧牲轉矩為代價的，波電動機是以犧牲轉矩為代價的，其驅動力都很小。其驅動力都很小。東京工業(yè)大學東京工業(yè)大學Tohgo YamazakiTohgo Yamazaki等研制的圓筒型非接觸式超聲波電動機。其等研制的圓筒型非接觸式超聲波電動機。其定子由硬鋁制成，定子圓筒長為定子由硬鋁制成，定子圓筒長為16.5mm16.5mm、內徑、內徑56mm56mm、外徑、外徑61.8 mm61.8 mm，并由兩，并由兩個個LangevinLangevin振子鼓勵，構成行波。筒型轉子放置在定子筒內。當定子產生振子鼓

43、勵，構成行波。筒型轉子放置在定子筒內。當定子產生行波時，轉子懸浮起來并沿著行波前進方向旋轉。驅動電源的頻率為行波時，轉子懸浮起來并沿著行波前進方向旋轉。驅動電源的頻率為26kHz26kHz，電機的最高轉速可達電機的最高轉速可達3000 r/min3000 r/min。由于采用了。由于采用了LangevinLangevin振子，電機構造變振子，電機構造變得復雜，占有的空間較大，而且外形不規(guī)那么，因此限制了它的運用場所。得復雜，占有的空間較大，而且外形不規(guī)那么，因此限制了它的運用場所。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機(5) (5) 多自在度超聲波電動機多自在度超聲波電動機 三自

44、在度超聲波電機三自在度超聲波電機兩自在度超聲波電動機兩自在度超聲波電動機 電機由球形轉子、兩對徑向定子等組成。定子是電機由球形轉子、兩對徑向定子等組成。定子是一個短圓柱體，用等截面梁穿過定子來施加軸向一個短圓柱體，用等截面梁穿過定子來施加軸向力，使得定子與轉子嚴密接觸。利用粘貼在定子力，使得定子與轉子嚴密接觸。利用粘貼在定子上的壓電陶瓷同時在定子上激發(fā)出兩個在空間相上的壓電陶瓷同時在定子上激發(fā)出兩個在空間相互垂直的振動模態(tài)，兩個模態(tài)合成使得定子側外互垂直的振動模態(tài)，兩個模態(tài)合成使得定子側外表產生行波，從而經過摩擦接觸驅動球形轉子轉表產生行波，從而經過摩擦接觸驅動球形轉子轉動。兩對徑向定子置于一

45、個平面內不同的位置，動。兩對徑向定子置于一個平面內不同的位置，這樣電機就可得到兩個自在度的運動。這樣電機就可得到兩個自在度的運動。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機 超超聲聲波波電電動動機機 行波型行波型 駐波型駐波型 按結構和運動形式分按結構和運動形式分 直線式直線式 旋轉式旋轉式 按彈性體和運動體的按彈性體和運動體的接觸情況分接觸情況分 接觸式接觸式 非接觸式非接觸式 按轉子運動的自由度分按轉子運動的自由度分 單自由度式單自由度式 多自由度式多自由度式 按結構和運動形式分按結構和運動形式分 直線式直線式 旋轉式旋轉式 按彈性體和運動體的按彈性體和運動體的接觸情況分接觸情況

46、分 接觸式接觸式 非接觸式非接觸式 縱扭復合型縱扭復合型 模態(tài)轉換型模態(tài)轉換型 按激勵兩個駐按激勵兩個駐波的方式分波的方式分 超聲波電動機的分類超聲波電動機的分類第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)5 5 行波型超聲波電動機的驅動控制行波型超聲波電動機的驅動控制 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機USM頻率控制的的驅動與控制電路框圖頻率控制的的驅動與控制電路框圖上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)

47、上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機機6 超聲波電機存在的問題及研討重點超聲波電機存在的問題及研討重點USMUSM與傳統電磁式電機相比有無可替代的優(yōu)點，但是它也存在一些問與傳統電磁式電機相比有無可替代的優(yōu)點，但是它也存在一些問題：題：(1)(1)控制困難控制困難: : 從實際上來說，目前超聲波電機依然沒有一個準確的從實際上來說，目前超聲波電機依然沒有一個準確的數學模型來對其振動過程和運動過程進展系統的描畫。由于壓電資料數學模型來對其振動過程和運動過程進展系統的描畫。由于壓電資料的特殊性、摩擦發(fā)熱和環(huán)境變化等問題，驅動轉子的摩擦力將產生嚴的特殊性、摩擦發(fā)熱和環(huán)境變化等問題，驅動轉子的摩擦力將產生嚴重的非線性變化。這種變化使控制電機勻速轉動的難度大大添加。此重的非線性變化。這種變化使控制電機勻速轉動的難度大大添加。此外，由于壓電資料的特殊性，使得每一臺超聲波電動機所需求的驅動外，由于壓電資料的特殊性，使得每一臺超聲波電動機所需求的驅動電源都不一樣，這樣，電機和電源必需一一配套，不利于大規(guī)模消費。電源都不一樣，這樣，電機和電源必需一一配套，不利于大規(guī)模消費。(2)(2)壽命較短壽命較短: : 超聲波電機的壽命大約超聲波電機的壽命大約20002000小時，與傳統電機相比，小時，與傳統電機相比，長時間任務的耐久性不盡人意。長時間任務的耐久性不盡人意。(