第6章超聲波電動機(jī)

1、第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制超聲波電動機(jī)超聲波電動機(jī)(Ultrasonic Motor，簡稱，簡稱USM)是近年來發(fā)展起來的一種全新概念的驅(qū)動裝置，它是近年來發(fā)展起來的一種全新概念的驅(qū)動裝置，它利用利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)壓電材料的逆壓電效應(yīng)(即電致伸縮效應(yīng)即電致伸縮效應(yīng))，把，把電能轉(zhuǎn)換為彈性體的超聲振動電能轉(zhuǎn)換為彈性體的超聲振動，并通過，并通過摩擦傳動的摩擦傳動的方式方式轉(zhuǎn)換成運(yùn)動體的回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動。這種新型電轉(zhuǎn)換成運(yùn)動體的回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動。這種新型電機(jī)一般

2、工作于機(jī)一般工作于20kHz以上的頻率，故稱為超聲波電以上的頻率，故稱為超聲波電動機(jī)動機(jī)。 1 超聲波電機(jī)的基本原理超聲波電機(jī)的基本原理上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一下一節(jié)節(jié)超聲波電動機(jī)的不同命名：超聲波電動機(jī)的不同命名：如振動電動機(jī)如振動電動機(jī)(Vibration Motor)、壓電電動機(jī)壓電電動機(jī)(Piezoelectric Motor)、表面波電動機(jī)、表面波電動機(jī)(Surface Wave Motor)、壓電超聲波電動機(jī)、壓電超聲波電動機(jī)(Piezoelectric Ultrasonic Motor)、超聲波壓電驅(qū)動器、超聲波壓電驅(qū)動器/ /執(zhí)行器執(zhí)行器(Ultras

3、onic piezoelectric actuator)等等。等等。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制1.1 超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)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(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制上一頁上一頁下一頁下一頁返回返回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié) 超聲波電動機(jī)由超聲波電動機(jī)由定子定子( (振動體振動體) )和和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子( (移動體移動體) )兩部分組成兩部分組成 但電機(jī)中既沒有線圈也沒有永磁體，其定子由彈性體但電機(jī)中既沒有線圈也沒有永磁體，其定子由彈性體

4、(Elastic body)(Elastic body)和壓電陶瓷和壓電陶瓷(Piezoelectric ceramic)(Piezoelectric ceramic)構(gòu)成構(gòu)成 轉(zhuǎn)子為一個金屬板。定子和轉(zhuǎn)子在壓力作用下緊密接觸，為轉(zhuǎn)子為一個金屬板。定子和轉(zhuǎn)子在壓力作用下緊密接觸，為了減少定、轉(zhuǎn)子之間相對運(yùn)動產(chǎn)生的磨損，通常在二者之間了減少定、轉(zhuǎn)子之間相對運(yùn)動產(chǎn)生的磨損，通常在二者之間( (在轉(zhuǎn)子上在轉(zhuǎn)子上) )加一層摩擦材料。加一層摩擦材料。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制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)工作原理：對極

5、化后的壓電陶瓷元件施加工作原理：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(nèi)激發(fā)出超聲波振動，這種振動傳遞給與定子緊密接觸彈性體內(nèi)激發(fā)出超聲波振動，這種振動傳遞給與定子緊密接觸的摩擦材料以驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。的摩擦材料以驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制上一頁上一頁下一頁下一頁返回返回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)當(dāng)對粘接在金屬彈性體上當(dāng)對粘接在金屬彈性體上的兩片壓電陶瓷施加相位的兩片壓電陶瓷施加相位差為差為90

6、90 電角度的高頻電電角度的高頻電壓時，在彈性體內(nèi)產(chǎn)生兩壓時，在彈性體內(nèi)產(chǎn)生兩組駐波，這兩組駐波合成組駐波，這兩組駐波合成一個沿定子彈性體圓周方一個沿定子彈性體圓周方向行進(jìn)的行波，使得定子向行進(jìn)的行波，使得定子表面的質(zhì)點(diǎn)形成一定運(yùn)動表面的質(zhì)點(diǎn)形成一定運(yùn)動軌跡軌跡( (通常為橢圓軌跡通常為橢圓軌跡) )的的超聲波微觀振動，其振幅超聲波微觀振動，其振幅一般為數(shù)微米，這種微觀一般為數(shù)微米，這種微觀振動通過定子振動通過定子( (振動體振動體) )和和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子( (移動體移動體) )之間的摩擦之間的摩擦作用使轉(zhuǎn)子作用使轉(zhuǎn)子( (移動體移動體) )沿某沿某一方向一方向( (逆行波傳播方向逆行波傳播方向)

7、)做連續(xù)宏觀運(yùn)動。做連續(xù)宏觀運(yùn)動。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制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 超聲波電機(jī)的發(fā)展超聲波電機(jī)的發(fā)展 超聲波電動機(jī)的發(fā)展大體可分為以下三個階段：超聲波電動機(jī)的發(fā)展大體可分為以下三個階段：1. 探索階段探索階段(1948年年20世紀(jì)世紀(jì)70年代末年代末) USM 原型出現(xiàn)原型出現(xiàn)2.2. 實(shí)用化階段實(shí)用化階段(20(20世紀(jì)世紀(jì)7070年代末年代末8080年代末年代末) ) 商用商用USM USM 產(chǎn)品出現(xiàn)產(chǎn)品出現(xiàn)3.3. 深層次研究深層次研究(20(20世紀(jì)世紀(jì)9090年代年代)

8、 ) 機(jī)理、材料、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動控制、應(yīng)用機(jī)理、材料、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動控制、應(yīng)用 多樣化多樣化第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制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. 探索階段探索階段(1948年年20世紀(jì)世紀(jì)70年代末年代末)1 1）超聲波電動機(jī)的概念出現(xiàn)于）超聲波電動機(jī)的概念出現(xiàn)于1948年，英國的年，英國的Williams和和Brown申請了申請了“壓電電動機(jī)壓電電動機(jī)(Piezoelectric Motor)”的專利，提出了將振動能作為驅(qū)動力的專利，提出了將振動能作為驅(qū)動力的設(shè)想，然而由于當(dāng)時理論與技術(shù)的局限，有效的驅(qū)動裝置

9、未能得以實(shí)現(xiàn)。的設(shè)想，然而由于當(dāng)時理論與技術(shù)的局限，有效的驅(qū)動裝置未能得以實(shí)現(xiàn)。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制2 2）1961年，年，Bulova Watch Ltd公司首次利用彈性體振動來驅(qū)動鐘表齒輪，公司首次利用彈性體振動來驅(qū)動鐘表齒輪，工作頻率為工作頻率為360Hz，這種鐘表走時準(zhǔn)確，每月的誤差只有一分鐘，打破了那，這種鐘表走時準(zhǔn)確，每月的誤差只有一分鐘，打破了那個時代的紀(jì)錄，引起了轟動。個時代的紀(jì)錄，引起了轟動。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制3 3）前蘇聯(lián)學(xué)者）前蘇聯(lián)學(xué)者V. V.

10、Lavrinenko 于于1964年設(shè)計(jì)了第一臺壓電旋轉(zhuǎn)電機(jī)，此后年設(shè)計(jì)了第一臺壓電旋轉(zhuǎn)電機(jī)，此后前蘇聯(lián)在超聲波電機(jī)研究領(lǐng)域一度處于世界領(lǐng)先水平，前蘇聯(lián)在超聲波電機(jī)研究領(lǐng)域一度處于世界領(lǐng)先水平，如設(shè)計(jì)了用于微型如設(shè)計(jì)了用于微型機(jī)器人的有機(jī)器人的有2 或或3 個自由度的個自由度的超聲波電機(jī)超聲波電機(jī)、 人工超聲肌肉及超聲步進(jìn)電機(jī)等。人工超聲肌肉及超聲步進(jìn)電機(jī)等。不過，由于語言等方面的原因不過，由于語言等方面的原因, 前蘇聯(lián)的一些重要研究成果并未被西方科學(xué)前蘇聯(lián)的一些重要研究成果并未被西方科學(xué)界所充分了解。界所充分了解。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其

11、控制4 4）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機(jī)的模型，從年提出了一種超聲波電動機(jī)的模型，從而使這種新型電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的工作。而使這種新型電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的工作。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制2. 實(shí)用化階段實(shí)用化階段(20世紀(jì)世紀(jì)70年代末年代末80年代末年代末) 1978 1978年，前蘇聯(lián)的年，前蘇聯(lián)的VasilievVasiliev成功地構(gòu)造了一種能夠驅(qū)動較大負(fù)載的壓成功地構(gòu)造了一種能夠驅(qū)動較大負(fù)載的壓電超聲波電動機(jī)，這種電機(jī)使用由位于兩個金屬塊之間的壓電元件所組成電超聲

12、波電動機(jī)，這種電機(jī)使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(zhuǎn)子接觸的振動片縱向振動，通過振動的超聲換能器，將該換能器激起與轉(zhuǎn)子接觸的振動片縱向振動，通過振動片與轉(zhuǎn)子間的摩擦來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于不僅能降低共振片與轉(zhuǎn)子間的摩擦來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)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(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時由于溫度的升高、頻率，而且能放大振幅，遺憾的是，這種電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時由于溫度的升高、摩擦及磨損等原因，很難保持振動片的恒幅振動。摩擦及磨損等原因，很難保持振動片的恒幅振動。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

13、章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 日本的日本的T. SashidaT. Sashida在在VasilievVasiliev的研究基礎(chǔ)上，于的研究基礎(chǔ)上，于19801980年提出并成功地年提出并成功地制造了一種駐波型超聲波電動機(jī)。該電機(jī)使用制造了一種駐波型超聲波電動機(jī)。該電機(jī)使用LangevinLangevin激振器，驅(qū)動頻率激振器，驅(qū)動頻率為為27.8 kHz27.8 kHz，電輸入功率為，電輸入功率為90W90W，機(jī)械輸出功率為，機(jī)械輸出功率為50W50W，輸出扭矩為，輸出扭矩為0.25N0.25N m m，首次達(dá)到了能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，但由于振動片

14、與轉(zhuǎn)子的接觸是固定首次達(dá)到了能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，但由于振動片與轉(zhuǎn)子的接觸是固定在一個位置上，仍存在著接觸表面上摩擦和磨損等問題。在一個位置上，仍存在著接觸表面上摩擦和磨損等問題。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 1982 1982年，年，SashidaSashida又提出并制造了另一臺超聲波電動機(jī)又提出并制造了另一臺超聲波電動機(jī)行波型超行波型超聲波電動機(jī)，從原來的由駐波定點(diǎn)、定期推動轉(zhuǎn)子變換成由行波連續(xù)不斷聲波電動機(jī)，從原來的由駐波定點(diǎn)、定期推動轉(zhuǎn)子變換成由行波連續(xù)不斷地推動轉(zhuǎn)子，大大地降低了定子與轉(zhuǎn)子接觸面上的摩擦和磨損。這種電機(jī)地推動轉(zhuǎn)

15、子，大大地降低了定子與轉(zhuǎn)子接觸面上的摩擦和磨損。這種電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)質(zhì)就是定子表面的質(zhì)點(diǎn)形成了橢圓運(yùn)動。之后，在日本掀起能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)質(zhì)就是定子表面的質(zhì)點(diǎn)形成了橢圓運(yùn)動。之后，在日本掀起了利用各種振動模態(tài)的研究熱潮，如利用縱向、彎曲、扭轉(zhuǎn)等振動來獲得了利用各種振動模態(tài)的研究熱潮，如利用縱向、彎曲、扭轉(zhuǎn)等振動來獲得橢圓運(yùn)動。這種電機(jī)的研究成功，為超聲波電動機(jī)走向?qū)嵱秒A段奠定了基橢圓運(yùn)動。這種電機(jī)的研究成功，為超聲波電動機(jī)走向?qū)嵱秒A段奠定了基礎(chǔ)。礎(chǔ)。上一頁上一頁下一頁下一頁返回返回上一節(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(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 1987 1

16、987年，行波超聲波電動機(jī)終于達(dá)到了商業(yè)應(yīng)用水平。此后許多超聲年，行波超聲波電動機(jī)終于達(dá)到了商業(yè)應(yīng)用水平。此后許多超聲波電動機(jī)新產(chǎn)品不斷地研制出來并推向市場。到波電動機(jī)新產(chǎn)品不斷地研制出來并推向市場。到2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代中期日本已年代中期日本已形成三個系列的超聲波電動機(jī)：即日立馬克賽爾公司的駐波扭轉(zhuǎn)耦合器系形成三個系列的超聲波電動機(jī)：即日立馬克賽爾公司的駐波扭轉(zhuǎn)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，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，Electro Mechanical Systems Electro Mechanical

17、 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(jī)系列產(chǎn)品機(jī)系列產(chǎn)品USR30USR30。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制3. 深層次研究深層次研究(20世紀(jì)世紀(jì)90年代年代) 在在2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代，國外的研究工作主要集中在研究新的驅(qū)動機(jī)理、構(gòu)年代，國外的研究工作主要集中在研究新的驅(qū)動機(jī)理、構(gòu)造新的結(jié)構(gòu)形式、開發(fā)新型電機(jī)等方面，著重于動力傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，尚未能造新的結(jié)構(gòu)形式、開發(fā)新型電機(jī)等方面，著重于動力傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，尚未能顧及到性能的改善。由于對超聲波電動機(jī)的基礎(chǔ)理論研究得不夠透徹，沒顧及到性能

18、的改善。由于對超聲波電動機(jī)的基礎(chǔ)理論研究得不夠透徹，沒有形成完整的設(shè)計(jì)理論，使超聲波電動機(jī)的研究帶有一定程度的盲目性。有形成完整的設(shè)計(jì)理論，使超聲波電動機(jī)的研究帶有一定程度的盲目性。直到直到9090年代后，超聲波電動機(jī)的建模、性能預(yù)測等理論問題才開始引起關(guān)年代后，超聲波電動機(jī)的建模、性能預(yù)測等理論問題才開始引起關(guān)注，但至今尚無系統(tǒng)的論述。注，但至今尚無系統(tǒng)的論述。 目前，世界各國對超聲波電動機(jī)的研究極為活躍，超聲波電動機(jī)的研目前，世界各國對超聲波電動機(jī)的研究極為活躍，超聲波電動機(jī)的研究趨向多元化。例如，美國利用其先進(jìn)的材料和究趨向多元化。例如，美國利用其先進(jìn)的材料和ICIC工藝研制出的微型超聲

19、工藝研制出的微型超聲波電動機(jī)，其尺寸僅有數(shù)百微米波電動機(jī)，其尺寸僅有數(shù)百微米(250(250 m m 500500 m m 2 2 m)m)，驅(qū)動電壓的典型值，驅(qū)動電壓的典型值是是5V5V，最低為，最低為1.5V1.5V，轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)速為150r/min150r/min。而大型超聲波電動機(jī)的扭矩達(dá)。而大型超聲波電動機(jī)的扭矩達(dá)400N400N m 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(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 我國超聲電機(jī)的研究始于我國超聲電機(jī)的研究始于2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、年代，清華大學(xué)

20、、浙江大學(xué)、吉林大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中科院長春光機(jī)所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)吉林大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中科院長春光機(jī)所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等先后開展了超聲電機(jī)的研究，并取得了可喜的成果。等先后開展了超聲電機(jī)的研究，并取得了可喜的成果。19891989年，清華年，清華大學(xué)周鐵英、董蜀湘等申請了國內(nèi)首項(xiàng)關(guān)于超聲電機(jī)的發(fā)明專利，并大學(xué)周鐵英、董蜀湘等申請了國內(nèi)首項(xiàng)關(guān)于超聲電機(jī)的發(fā)明專利，并在微型超聲電機(jī)領(lǐng)域取得了一系列的研究成果，下圖為周鐵英研制的在微型超聲電機(jī)領(lǐng)域取得了一系列的研究成果，下圖為周鐵英研制的直徑直徑1 mm1 mm的微型圓柱式超聲電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速的微型圓柱式超聲電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速1 800 r/

21、min1 800 r/min，最大輸出扭，最大輸出扭矩矩4 4NmNm。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 浙大研制的直徑浙大研制的直徑80 mm80 mm、長、長110 mm110 mm、最大輸出扭矩最大輸出扭矩13.2Nm13.2Nm、空載轉(zhuǎn)速、空載轉(zhuǎn)速12.6 12.6 r/minr/min的超聲電機(jī)。的超聲電機(jī)。 吉林大學(xué)在壓電精密驅(qū)動技術(shù)方面獲吉林大學(xué)在壓電精密驅(qū)動技術(shù)方面獲得了顯著的成果，圖為其研制的步進(jìn)式壓得了顯著的成果，圖為其研制的步進(jìn)式壓電精密驅(qū)動器，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率電精密驅(qū)動器，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率(30 Hz)(30 Hz)、高速度

22、高速度(380 (380 rad/srad/s) )、大行程、大行程(270(270) )、高分辨率高分辨率(1 (1 radrad/step)/step)驅(qū)動。驅(qū)動。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超聲電機(jī)專用摩擦材料已經(jīng)滿足了工程應(yīng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超聲電機(jī)專用摩擦材料已經(jīng)滿足了工程應(yīng)用的需要。用的需要。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制3 3 超聲波電機(jī)的特點(diǎn)超聲波電機(jī)的特點(diǎn)超聲波電動機(jī)將電致伸縮、超聲振動、波動原理這些毫不相干的概念與超聲波電動機(jī)將電致伸縮、超聲振動、波動原理這些毫不相干的概念與電機(jī)聯(lián)系在一起，創(chuàng)造出一種完全新型的電動機(jī)。電機(jī)聯(lián)系

23、在一起，創(chuàng)造出一種完全新型的電動機(jī)。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制超聲波電動機(jī)的缺點(diǎn)超聲波電動機(jī)的缺點(diǎn)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制4 4 超聲波電機(jī)與電磁電機(jī)的比較超聲波電機(jī)與電磁電機(jī)的比較第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電

24、機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制5 5 超聲波電動機(jī)的分類超聲波電動機(jī)的分類第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制6 6 超聲波電動機(jī)的常見結(jié)構(gòu)超聲波電動機(jī)的常見結(jié)構(gòu)(1) (1) 環(huán)狀或盤式行波型超聲波電動機(jī)環(huán)狀或盤式行波型超聲波電動機(jī) 由底部粘接著壓電陶瓷元件的環(huán)狀定子和環(huán)狀轉(zhuǎn)子構(gòu)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(zhuǎn)子構(gòu)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，在定子彈性體中形成沿圓周方向的彎定的高頻交變電壓，在定子彈性體中形成沿圓周方向的彎曲行波。對定、轉(zhuǎn)子施加一定的預(yù)壓力，轉(zhuǎn)子受到與行波傳播方向相反的曲行波

25、。對定、轉(zhuǎn)子施加一定的預(yù)壓力，轉(zhuǎn)子受到與行波傳播方向相反的摩擦力作用而連續(xù)轉(zhuǎn)動，定子上的齒槽用于改善電機(jī)的工作性能。摩擦力作用而連續(xù)轉(zhuǎn)動，定子上的齒槽用于改善電機(jī)的工作性能。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制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(jī)直線式行波型超聲波電動機(jī)：利用兩個：利用兩個LangevinLangevin壓電換能器，分別作為激壓電換能器，分別作為激振器和吸振器，當(dāng)吸振器能很好地振器和吸振器，當(dāng)吸振器能很好地吸收激振器端傳來的振動波時，有吸收激振器端傳來的振動波時，有限長

26、直梁似乎變成了限長直梁似乎變成了根半無限長根半無限長梁，這時，在直梁中形成單向行波，梁，這時，在直梁中形成單向行波，驅(qū)動滑塊作直線運(yùn)動。當(dāng)互換激振驅(qū)動滑塊作直線運(yùn)動。當(dāng)互換激振器與吸振器的位置時，形成反向行器與吸振器的位置時，形成反向行波，實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動。波，實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動。，把金屬兩把金屬兩端焊接起來形成田徑跑道狀的定子軌端焊接起來形成田徑跑道狀的定子軌道，并在上面設(shè)置具有壓緊裝置的移道，并在上面設(shè)置具有壓緊裝置的移動體動體(滑塊滑塊)。壓電陶瓷片粘在導(dǎo)軌的。壓電陶瓷片粘在導(dǎo)軌的背面，通過兩相時間、空間互差背面，通過兩相時間、空間互差90 電角度的壓電陶瓷橫向伸縮，在封閉電角度的壓電陶瓷橫向伸縮

27、，在封閉的彈性導(dǎo)軌中激發(fā)出由兩個同頻駐波的彈性導(dǎo)軌中激發(fā)出由兩個同頻駐波疊加而成的行波，以此驅(qū)動壓緊在導(dǎo)疊加而成的行波，以此驅(qū)動壓緊在導(dǎo)軌上的滑塊做直線運(yùn)動。軌上的滑塊做直線運(yùn)動。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制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(jī)駐波型超聲波電動機(jī)SashidaSashida研制的楔形駐波型超聲波電研制的楔形駐波型超聲波電動機(jī)動機(jī): :由由LangevinLangevin振子、振子前端的振子、振子前端的楔形振動片和轉(zhuǎn)子三部分組成。楔形振動片和轉(zhuǎn)子三部分組成。振子的端面沿長度方向

28、振動，楔形結(jié)振子的端面沿長度方向振動，楔形結(jié)構(gòu)振動片的前端面與轉(zhuǎn)子表面稍微傾構(gòu)振動片的前端面與轉(zhuǎn)子表面稍微傾斜接觸斜接觸( (夾角為夾角為 ) )，誘發(fā)振動片前端，誘發(fā)振動片前端產(chǎn)生向上運(yùn)動的分量，產(chǎn)生橫向共振，產(chǎn)生向上運(yùn)動的分量，產(chǎn)生橫向共振，縱橫振動合成的結(jié)果，使振動片前端縱橫振動合成的結(jié)果，使振動片前端質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡近似為橢圓。振動片質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡近似為橢圓。振動片向上運(yùn)動時，振動片與轉(zhuǎn)子接觸處的向上運(yùn)動時，振動片與轉(zhuǎn)子接觸處的摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)子運(yùn)動；向下運(yùn)動時，摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)子運(yùn)動；向下運(yùn)動時，脫離接觸，沒有運(yùn)動的傳遞，轉(zhuǎn)子依脫離接觸，沒有運(yùn)動的傳遞，轉(zhuǎn)子依靠其慣性保持方向向上的運(yùn)動狀態(tài)?？?/p>

29、其慣性保持方向向上的運(yùn)動狀態(tài)。這種電機(jī)設(shè)計(jì)簡單，但存在兩個缺點(diǎn)：這種電機(jī)設(shè)計(jì)簡單，但存在兩個缺點(diǎn)：在振動片與轉(zhuǎn)子接觸處磨損嚴(yán)重；轉(zhuǎn)在振動片與轉(zhuǎn)子接觸處磨損嚴(yán)重；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較難控制，僅能單方向旋轉(zhuǎn)。子轉(zhuǎn)速較難控制，僅能單方向旋轉(zhuǎn)。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制日立日立MaxellMaxell公司的改進(jìn)型駐公司的改進(jìn)型駐波超聲波電動機(jī)，采用機(jī)械波超聲波電動機(jī)，采用機(jī)械扭轉(zhuǎn)連接器取代了楔形振動扭轉(zhuǎn)連接器取代了楔形振動片，借助扭轉(zhuǎn)連接器將壓電片，借助扭轉(zhuǎn)連接器將壓電振子產(chǎn)生的縱向振動誘發(fā)出振子產(chǎn)生的縱向振動誘發(fā)出扭轉(zhuǎn)振動，兩種振動在扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)振動，兩種

30、振動在扭轉(zhuǎn)連接器前端合成質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)連接器前端合成質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動軌跡，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這動軌跡，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到種電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到120r/min120r/min，輸出轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩1.3N1.3N m m，能量轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)換效率為效率為8080，超過傳統(tǒng)電磁，超過傳統(tǒng)電磁型電機(jī)。型電機(jī)。 (3) 駐波型超聲波電動機(jī)駐波型超聲波電動機(jī)采用扭轉(zhuǎn)連接器的駐波型超采用扭轉(zhuǎn)連接器的駐波型超聲波電動機(jī)聲波電動機(jī) 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 駐波超聲波電動機(jī)是利用在彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來驅(qū)動駐波超聲波電動機(jī)是利用在彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來驅(qū)動移移動體移動

31、。但是，單一的駐波并不能傳遞能量，因?yàn)閺椥泽w動體移動。但是，單一的駐波并不能傳遞能量，因?yàn)閺椥泽w表面質(zhì)點(diǎn)作同相振動。因此，表面質(zhì)點(diǎn)作同相振動。因此，駐波型超聲波電動機(jī)通過激發(fā)駐波型超聲波電動機(jī)通過激發(fā)并合成相互垂直的兩個駐波，使得彈性體表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓振并合成相互垂直的兩個駐波，使得彈性體表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓振動，直接或間接地驅(qū)動移動體運(yùn)動而輸出能量動，直接或間接地驅(qū)動移動體運(yùn)動而輸出能量。根據(jù)激勵兩個駐波振動的方式不同根據(jù)激勵兩個駐波振動的方式不同, ,駐波超聲波電動機(jī)分為駐波超聲波電動機(jī)分為: :采用兩個獨(dú)立的壓電振子分別激發(fā)互相垂直的兩個采用兩個獨(dú)立的壓電振子分別激發(fā)互相垂直的兩個駐波振動，合成

32、彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動軌跡。駐波振動，合成彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動軌跡。：模態(tài)轉(zhuǎn)換型僅有一個壓電振子激發(fā)某一方向的振動，再模態(tài)轉(zhuǎn)換型僅有一個壓電振子激發(fā)某一方向的振動，再通過一個機(jī)械轉(zhuǎn)換振子同時誘發(fā)與其垂直的振動，二者合成彈性體表面通過一個機(jī)械轉(zhuǎn)換振子同時誘發(fā)與其垂直的振動，二者合成彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動軌跡，驅(qū)動移動體運(yùn)動。（如前兩例）質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動軌跡，驅(qū)動移動體運(yùn)動。（如前兩例）第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制縱扭復(fù)合型超聲波電動機(jī)結(jié)構(gòu)縱扭復(fù)合型超聲波電動機(jī)結(jié)構(gòu)定子由兩個獨(dú)立的振子所定子由兩個獨(dú)立的振子所組成：縱向振子控制定子與轉(zhuǎn)子之

33、間的摩擦力組成：縱向振子控制定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦力( (正壓力正壓力) )；扭；扭轉(zhuǎn)振子控制輸出轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)振子控制輸出轉(zhuǎn)矩。由于兩種復(fù)合運(yùn)動可獨(dú)立控制，所以其輸出轉(zhuǎn)矩大，工作穩(wěn)定，可雙向運(yùn)由于兩種復(fù)合運(yùn)動可獨(dú)立控制，所以其輸出轉(zhuǎn)矩大，工作穩(wěn)定，可雙向運(yùn)動，并且為設(shè)計(jì)者提供了較大的設(shè)計(jì)空間。動，并且為設(shè)計(jì)者提供了較大的設(shè)計(jì)空間。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制（4 4）非接觸式超聲波電動機(jī)）非接觸式超聲波電動機(jī) 定子與轉(zhuǎn)子之間不直接接觸，而定子與轉(zhuǎn)子之間不直接接觸，

34、而是在它們之間填充一種介質(zhì)：液是在它們之間填充一種介質(zhì)：液體或氣體。當(dāng)定子振動時，也就體或氣體。當(dāng)定子振動時，也就引起了介質(zhì)的振動，在介質(zhì)與轉(zhuǎn)引起了介質(zhì)的振動，在介質(zhì)與轉(zhuǎn)子的接觸面就形成了摩擦力，從子的接觸面就形成了摩擦力，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。非接觸式超聲而驅(qū)動轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。非接觸式超聲波電動機(jī)是以犧牲轉(zhuǎn)矩為代價的，波電動機(jī)是以犧牲轉(zhuǎn)矩為代價的，其驅(qū)動力都很小。其驅(qū)動力都很小。東京工業(yè)大學(xué)東京工業(yè)大學(xué)Tohgo Yamazaki等研制的圓筒型非接觸式超聲波電動機(jī)。其等研制的圓筒型非接觸式超聲波電動機(jī)。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16.5mm、內(nèi)徑、內(nèi)徑56mm、外徑、外

35、徑61.8 mm，并由，并由兩個兩個Langevin振子激勵，形成行波。筒型轉(zhuǎn)子放置在定子筒內(nèi)。當(dāng)定子產(chǎn)振子激勵，形成行波。筒型轉(zhuǎn)子放置在定子筒內(nèi)。當(dāng)定子產(chǎn)生行波時，轉(zhuǎn)子懸浮起來并沿著行波前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動電源的頻率為生行波時，轉(zhuǎn)子懸浮起來并沿著行波前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動電源的頻率為26kHz，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000 r/min。由于采用了。由于采用了Langevin振子，電機(jī)振子，電機(jī)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，占有的空間較大，而且形狀不規(guī)則，因而限制了它的應(yīng)用結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，占有的空間較大，而且形狀不規(guī)則，因而限制了它的應(yīng)用場合。場合。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)

36、機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制(5) (5) 多自由度超聲波電動機(jī)多自由度超聲波電動機(jī) 三自由度超聲波電機(jī)三自由度超聲波電機(jī)兩自由度超聲波電動機(jī)兩自由度超聲波電動機(jī) 電機(jī)由球形轉(zhuǎn)子、兩對徑向定子等組成。定子是電機(jī)由球形轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子緊密接觸。利用粘貼在定子力，使得定子與轉(zhuǎn)子緊密接觸。利用粘貼在定子上的壓電陶瓷同時在定子上激發(fā)出兩個在空間互上的壓電陶瓷同時在定子上激發(fā)出兩個在空間互相垂直的振動模態(tài)，兩個模態(tài)合成使得定子側(cè)表相垂直的振動模態(tài)，兩個模態(tài)合成使得定子側(cè)表面產(chǎn)生行波

37、，從而通過摩擦接觸驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)面產(chǎn)生行波，從而通過摩擦接觸驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。兩對徑向定子置于一個平面內(nèi)不同的位置，動。兩對徑向定子置于一個平面內(nèi)不同的位置，這樣電機(jī)就可得到兩個自由度的運(yùn)動。這樣電機(jī)就可得到兩個自由度的運(yùn)動。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制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)7 7 行波型超聲波電動機(jī)的驅(qū)動控制行波型超聲波電動機(jī)的驅(qū)動控制 (1)控制電壓幅值控制電壓幅值。在一定范圍內(nèi)，驅(qū)動電壓幅值與駐波振幅在一定范圍內(nèi)，驅(qū)動電壓幅值與駐波振幅呈線性關(guān)系，因此通過調(diào)節(jié)壓電陶瓷元件的激勵電壓，可呈線性關(guān)系，

38、因此通過調(diào)節(jié)壓電陶瓷元件的激勵電壓，可以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)速。以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)速。但調(diào)速范圍受到限制。電壓過低但調(diào)速范圍受到限制。電壓過低,壓電元壓電元件不會起振件不會起振;電壓過高電壓過高,又會接近壓電元件的工作極限。又會接近壓電元件的工作極限。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制(2)(2)變頻控制變頻控制,通過調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)附近的頻率控制速度和力矩通過調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)附近的頻率控制速度和力矩,因?yàn)殡姍C(jī)動作點(diǎn)在諧振點(diǎn)附近因?yàn)殡姍C(jī)動作點(diǎn)在諧振點(diǎn)附近,且調(diào)頻具有響應(yīng)快的特且調(diào)頻具有響應(yīng)快的特點(diǎn)。點(diǎn)。變頻調(diào)速對超聲電機(jī)較為合適變頻調(diào)速對超聲電機(jī)較為合適。第第 6 章章 超

39、超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制(3) 相位差控制相位差控制,改變兩相電壓的相位差,從而改變定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動軌跡。但低速啟動困難,驅(qū)動電源設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8 8 超聲波電動機(jī)的應(yīng)用超聲波電動機(jī)的應(yīng)用 8.1 8.1 在照相機(jī)上的應(yīng)用在照相機(jī)上的應(yīng)用 1990年佳能公司開發(fā)了環(huán)形超聲電機(jī)，如圖所示，其轉(zhuǎn)年佳能公司開發(fā)了環(huán)形超聲電機(jī)，如圖所示，其轉(zhuǎn)速為速為37 r/min，扭矩為，扭矩為0. 03 N m。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及

40、其控制 環(huán)形超聲電機(jī)作為佳能公司中高級鏡頭使用的對焦電機(jī)，環(huán)形超聲電機(jī)作為佳能公司中高級鏡頭使用的對焦電機(jī)，啟動和制動的速度比傳統(tǒng)的對焦電機(jī)快。由于環(huán)形超聲電機(jī)啟動和制動的速度比傳統(tǒng)的對焦電機(jī)快。由于環(huán)形超聲電機(jī)具有低速大扭矩的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動。較大的自鎖扭具有低速大扭矩的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動。較大的自鎖扭矩，使得超聲電機(jī)停轉(zhuǎn)后，能迅速自動鎖住鏡頭。環(huán)形超聲矩，使得超聲電機(jī)停轉(zhuǎn)后，能迅速自動鎖住鏡頭。環(huán)形超聲電機(jī)的構(gòu)造極其簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)時沒有聲音，具有優(yōu)異的啟停響電機(jī)的構(gòu)造極其簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)時沒有聲音，具有優(yōu)異的啟停響應(yīng)和控制性能。高效率和低功耗使得鏡頭的轉(zhuǎn)動可以直接利應(yīng)和控制性能。高效率和低

41、功耗使得鏡頭的轉(zhuǎn)動可以直接利用照相機(jī)的電池供電。用照相機(jī)的電池供電。 1992年，佳能又推出了適于大規(guī)模自動化生產(chǎn)的價格低年，佳能又推出了適于大規(guī)模自動化生產(chǎn)的價格低廉的小型桿式超聲波電機(jī)。廉的小型桿式超聲波電機(jī)。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8.2 8.2 在手機(jī)上的應(yīng)用在手機(jī)上的應(yīng)用 韓國的三星公司將長為韓國的三星公司將長為5 mm，直徑為，直徑為1. 6 mm的兩個超的兩個超聲電機(jī)應(yīng)用于手機(jī)照相系統(tǒng)中，在增加極少重量和體積的情聲電機(jī)應(yīng)用于手機(jī)照相系統(tǒng)中，在

42、增加極少重量和體積的情況下，安裝了手機(jī)的光學(xué)變焦機(jī)構(gòu)，能達(dá)到?jīng)r下，安裝了手機(jī)的光學(xué)變焦機(jī)構(gòu)，能達(dá)到4倍光學(xué)變焦。倍光學(xué)變焦。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8.3 8.3 在手表上的應(yīng)用在手表上的應(yīng)用 日本精工公司早在日本精工公司早在1991年就推出了一款配置微型超聲年就推出了一款配置微型超聲電機(jī)的手表。但這個超聲電機(jī)的不足之處是驅(qū)動電路和電電機(jī)的手表。但這個超聲電機(jī)的不足之處是驅(qū)動電路和電機(jī)的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且很難進(jìn)一步小型化。為了簡化結(jié)機(jī)的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且很難進(jìn)一步小型化。為了簡化結(jié)構(gòu)，精工公司采用了駐波型超聲電機(jī)，構(gòu)，精工公司采用了駐波

43、型超聲電機(jī)，1996年成功地將直年成功地將直徑為徑為8 mm的這種超聲電機(jī)用于手表的振動報(bào)警，振動是由的這種超聲電機(jī)用于手表的振動報(bào)警，振動是由電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力引起的。電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力引起的。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 目前帶日歷的手表中，傳統(tǒng)的日歷驅(qū)動機(jī)構(gòu)需要一個步進(jìn)目前帶日歷的手表中，傳統(tǒng)的日歷驅(qū)動機(jī)構(gòu)需要一個步進(jìn)電機(jī)和多級減速齒輪，以產(chǎn)生較大的扭矩推動日歷輪轉(zhuǎn)動。這電機(jī)和多級減速齒輪，以產(chǎn)生較大的扭矩推動日歷輪轉(zhuǎn)動。這就使得整套日歷機(jī)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動部件的尺寸也較大。為了解決就使得整套日歷機(jī)構(gòu)復(fù)雜

44、，運(yùn)動部件的尺寸也較大。為了解決這個問題，精工公司研制了一種超聲電機(jī)，用它作為日歷的驅(qū)這個問題，精工公司研制了一種超聲電機(jī)，用它作為日歷的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。這個直徑為動機(jī)構(gòu)。這個直徑為4. 5 mm，厚度為，厚度為2. 5 mm的超聲電機(jī)的啟的超聲電機(jī)的啟動扭矩是動扭矩是0. 02 mN m，不帶負(fù)載的轉(zhuǎn)動速度為，不帶負(fù)載的轉(zhuǎn)動速度為2 000 r/min，驅(qū)，驅(qū)動頻率約為動頻率約為630kHz。啟動扭矩是傳統(tǒng)手表中電磁步進(jìn)電機(jī)的。啟動扭矩是傳統(tǒng)手表中電磁步進(jìn)電機(jī)的10倍。倍。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8.4 8.4 在醫(yī)療器械上的應(yīng)用在醫(yī)療器械

45、上的應(yīng)用 美國加州大學(xué)研制的智能藥片美國加州大學(xué)研制的智能藥片第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8.5 8.5 在汽車上的應(yīng)用在汽車上的應(yīng)用 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8.6 8.6 在機(jī)器人上的應(yīng)用在機(jī)器人上的應(yīng)用 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制日本愛普生公司利用自行研制的世界日本愛普生公司利用自行研制的世界上最薄的超聲電機(jī)來驅(qū)動的昆蟲機(jī)器上最薄的超聲電機(jī)來驅(qū)動的昆蟲機(jī)器人。其質(zhì)量只有人。其質(zhì)量只有12. 5 g，每秒可移動，每秒可移動1

46、50 mm，超聲電機(jī)的厚度只有，超聲電機(jī)的厚度只有0. 04 mm 。日本愛普生公司利用同樣的超聲電機(jī)開發(fā)日本愛普生公司利用同樣的超聲電機(jī)開發(fā)的世界上最小最輕的空中機(jī)器人。它的最的世界上最小最輕的空中機(jī)器人。它的最大直徑約為大直徑約為136 mm，高度約為，高度約為85 mm，加，加上電池的質(zhì)量為上電池的質(zhì)量為12. 3 g，持續(xù)飛行時間為，持續(xù)飛行時間為3 min。它運(yùn)用了藍(lán)牙無線控制技術(shù)，能夠。它運(yùn)用了藍(lán)牙無線控制技術(shù)，能夠進(jìn)行獨(dú)立飛行。它由兩個高性能超薄型超進(jìn)行獨(dú)立飛行。它由兩個高性能超薄型超聲電機(jī)分別驅(qū)動兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的槳葉，聲電機(jī)分別驅(qū)動兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的槳葉，獲得升力。獲得升力。

47、第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制日本慶應(yīng)大學(xué)研制的超聲電機(jī)驅(qū)動五指靈巧手。五指靈巧手有日本慶應(yīng)大學(xué)研制的超聲電機(jī)驅(qū)動五指靈巧手。五指靈巧手有20個關(guān)節(jié)個關(guān)節(jié)(自由度自由度)，每個關(guān)節(jié)均采用雙端輸出的外徑為，每個關(guān)節(jié)均采用雙端輸出的外徑為30 mm，輸出軸徑為輸出軸徑為4 mm的超聲電機(jī)驅(qū)動。超聲電機(jī)全部置于手掌內(nèi)，的超聲電機(jī)驅(qū)動。超聲電機(jī)全部置于手掌內(nèi)，可以完成強(qiáng)力抓取和精確抓取，整個靈巧手的質(zhì)量僅為可以完成強(qiáng)力抓取和精確抓取，整個靈巧手的質(zhì)量僅為853 g。在此之前，有文獻(xiàn)記載的采用傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動的最輕靈巧手質(zhì)量在此之前，有文獻(xiàn)記載的采用傳統(tǒng)電

48、機(jī)驅(qū)動的最輕靈巧手質(zhì)量為為1 400 g。由于超聲電機(jī)具有響應(yīng)快的特點(diǎn)，使得機(jī)器手的反。由于超聲電機(jī)具有響應(yīng)快的特點(diǎn)，使得機(jī)器手的反應(yīng)速度比人手還快。應(yīng)速度比人手還快。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8.7 8.7 在航空航天上的應(yīng)用在航空航天上的應(yīng)用 NASA NASA 將超聲電機(jī)用于空間機(jī)器人技術(shù)將超聲電機(jī)用于空間機(jī)器人技術(shù)Coddar Space F ligh t Cen ter 將超聲電機(jī)應(yīng)用于空間機(jī)器人技術(shù)。其中微型機(jī)器手MicroArm I 使用了具有力矩0. 05 Nm 的超聲電機(jī)?；鹦菣C(jī)器手MarsArm II 使用了3個具有力

49、矩為0. 68Nm 和一個具有0. 11 Nm 的超聲電機(jī)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動動 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制9 超聲波電機(jī)存在的問題及研究重點(diǎn)超聲波電機(jī)存在的問題及研究重點(diǎn)USMUSM與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)相比有無可替代的優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在一些問與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)相比有無可替代的優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在一些問題：題：從理論上來說，目前超聲波電機(jī)仍然沒有一個準(zhǔn)確的從理論上來說，目前超聲波電機(jī)仍然沒有一個準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來對其振動過程和運(yùn)動過程進(jìn)行系統(tǒng)的描述。由于壓電材料數(shù)學(xué)模型來對其振動過程和運(yùn)動過程進(jìn)行系統(tǒng)的描述。由于壓電材料的特殊性、摩擦發(fā)熱和環(huán)境變化等問題，驅(qū)動轉(zhuǎn)子的摩擦力將產(chǎn)生嚴(yán)的特殊性、摩擦發(fā)熱和環(huán)境變化等問題，驅(qū)動轉(zhuǎn)子的摩擦力將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性變化。這種變化使控制電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動的難度大大增加。此重的非線性變化。這種變化使控制電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動的難度大大增加。此外，由于壓電材料的特殊性，使得每一臺超聲波電動機(jī)所需要的驅(qū)動外，由于壓電材料的特殊性，使得每一臺超聲波電動機(jī)所需要的驅(qū)動電源都不相同，這樣，電機(jī)和電源必須一一配套，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。電源都不相同，這樣，電機(jī)和電源必須一一配套，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。超聲波電機(jī)的壽命大約超聲波電機(jī)的壽命大約2000