超聲波電動(dòng)機(jī)理論

特種電機(jī)及其控制,超聲波電動(dòng)機(jī),UltrasonicMotor,特種電機(jī)及其控制,1超聲波電動(dòng)機(jī)的基本原理,3超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用,2超聲波電動(dòng)機(jī)的發(fā)展,6超聲波電機(jī)存在的問題及研究重點(diǎn),4超聲波電動(dòng)機(jī)的常見結(jié)構(gòu)與分類,5行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制,教學(xué)基本要求,超聲波電動(dòng)機(jī)及其發(fā)展概況,分析與思考,練習(xí)題,返回主頁(yè),特種電機(jī)及其控制,超聲波電動(dòng)機(jī)(UltrasonicMotor，簡(jiǎn)稱USM)是近年來發(fā)展起來的一種全新概念的驅(qū)動(dòng)裝置，它利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)(即電致伸縮效應(yīng))，把電能轉(zhuǎn)換為彈性體的超聲振動(dòng)，并通過摩擦傳動(dòng)的方式轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。這種新型電機(jī)一般工作于20kHz以上的頻率，故稱為超聲波電動(dòng)機(jī)。,1超聲波電動(dòng)機(jī)的基本原理,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),超聲波電動(dòng)機(jī)的不同命名：如振動(dòng)電動(dòng)機(jī)(VibrationMotor)、壓電電動(dòng)機(jī)(PiezoelectricMotor)、表面波電動(dòng)機(jī)(SurfaceWaveMotor)、壓電超聲波電動(dòng)機(jī)(PiezoelectricUltrasonicMotor)、超聲波壓電驅(qū)動(dòng)器/執(zhí)行器(Ultrasonicpiezoelectricactuator)等等。,特種電機(jī)及其控制,1.1超聲波電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu),上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),超聲波電動(dòng)機(jī)由定子(振動(dòng)體)和轉(zhuǎn)子(移動(dòng)體)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(Elasticbody)和壓電陶瓷(Piezoelectricceramic)構(gòu)成轉(zhuǎn)子為一個(gè)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(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損，通常在二者之間(在轉(zhuǎn)子上)加一層摩擦材料。,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),工作原理：對(duì)極化后的壓電陶瓷元件施加定的高頻交變電壓，壓電陶瓷隨著高頻電壓的幅值變化而膨脹或收縮，從而在定子彈性體內(nèi)激發(fā)出超聲波振動(dòng)，這種振動(dòng)傳遞給與定子緊密接觸的摩擦材料以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),當(dāng)對(duì)粘接在金屬?gòu)椥泽w上的兩片壓電陶瓷施加相位差為90電角度的高頻電壓時(shí)，在彈性體內(nèi)產(chǎn)生兩組駐波(StandingWave)，這兩組駐波合成一個(gè)沿定子彈性體圓周方向行進(jìn)的行波(ProgressiveWave/TravellingWave)，使得定子表面的質(zhì)點(diǎn)形成一定運(yùn)動(dòng)軌跡(通常為橢圓軌跡)的超聲波微觀振動(dòng)，其振幅一般為數(shù)微米，這種微觀振動(dòng)通過定子(振動(dòng)體)和轉(zhuǎn)子(移動(dòng)體)之間的摩擦作用使轉(zhuǎn)子(移動(dòng)體)沿某一方向(逆行波傳播方向)做連續(xù)宏觀運(yùn)動(dòng)。,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),A.行波的形成,將極化方向相反的壓電陶瓷依次粘貼于彈性體上，當(dāng)在壓電陶瓷上施加交變電壓時(shí)，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生交替伸縮變形，在一定的頻率和電壓條件下，彈性體上會(huì)產(chǎn)生圖示的駐波，用方程表示為,1)高頻電壓駐波,1.2USM的工作原理,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),A.行波的形成,2)兩駐波行波,設(shè)A、B兩個(gè)駐波的振幅同為0，二者在時(shí)間和空間上分別相差90，方程分別為,在彈性體中，這兩個(gè)駐波的合成為一行波,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),極化規(guī)律：將一片壓電陶瓷環(huán)極化為A、B兩相區(qū)，兩相區(qū)之間有/4的區(qū)域未極化，用作控制電源反饋信號(hào)的傳感器，另有3/4波長(zhǎng)的區(qū)域作為兩相區(qū)的公共區(qū)。極化時(shí)，每隔1/2波長(zhǎng)反向極化，極化方向?yàn)楹穸确较?。圖中“+”“”代表壓電片的極化方向相反，兩組壓電片空間相差/4，相當(dāng)于90，分別通以同頻、等幅、相位相差為90的超聲頻域的交流信號(hào)，這樣兩相區(qū)的兩組壓電體就在時(shí)間與空間上獲得90相位差的激振。,A.行波的形成,3)在USM中形成行波,USM的定子由環(huán)形彈性體和環(huán)形壓電陶瓷構(gòu)成，壓電陶瓷按圖示的規(guī)律極化，即可產(chǎn)生兩個(gè)在時(shí)間和空間上都相差90的駐波。,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),B.彈性體表面的橢圓運(yùn)動(dòng),設(shè)彈性體厚度為h。若彈性體表面任一點(diǎn)P在彈性體未撓曲時(shí)的位置為P0，則從P0到P在y方向的位移為,由于行波的振幅比行波的波長(zhǎng)小得多，彈性體彎曲的角度很小，故y方向的位移近似為,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),B.彈性體表面的橢圓運(yùn)動(dòng),從P0到P在x方向的位移為,又,所以,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),彈性體表面上任意一點(diǎn)P按照橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)使彈性體表面質(zhì)點(diǎn)對(duì)移動(dòng)體產(chǎn)生一種驅(qū)動(dòng)力，且移動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)方向與行波方向相反。,B.彈性體表面的橢圓運(yùn)動(dòng),特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橫向運(yùn)動(dòng)速度為,橫向速度在行波的波峰和波谷處最大。若假設(shè)在彈性體與移動(dòng)體接觸處的滑動(dòng)為零，則移動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度與波峰處質(zhì)點(diǎn)橫向速度相同。其最大速度為,V行波在定子中的傳播速度f電機(jī)的激振頻率,調(diào)節(jié)激振頻率可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是有非線性。在保持兩相駐波等幅的前提下，若忽略壓電陶瓷的應(yīng)變隨激勵(lì)電壓的非線性，改變駐波的振幅0，即調(diào)節(jié)壓電陶瓷的激振電壓，可以做到線性調(diào)速，這是調(diào)壓調(diào)速的一大優(yōu)點(diǎn)。,C.USM的調(diào)速方法,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),2超聲波電動(dòng)機(jī)的發(fā)展,超聲波電動(dòng)機(jī)的發(fā)展大體可分為以下三個(gè)階段：,探索階段(1948年20世紀(jì)70年代末)USM原型出現(xiàn)實(shí)用化階段(20世紀(jì)70年代末80年代末)商用USM產(chǎn)品出現(xiàn)深層次研究(20世紀(jì)90年代)機(jī)理、材料、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)控制、應(yīng)用多樣化,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),1.探索階段(1948年20世紀(jì)70年代末)1）超聲波電動(dòng)機(jī)的概念出現(xiàn)于1948年，英國(guó)的Williams和Brown申請(qǐng)了“壓電電動(dòng)機(jī)(PiezoelectricMotor)”的專利，提出了將振動(dòng)能作為驅(qū)動(dòng)力的設(shè)想，然而由于當(dāng)時(shí)理論與技術(shù)的局限，有效的驅(qū)動(dòng)裝置未能得以實(shí)現(xiàn)。2）1961年，BulovaWatchLtd公司首次利用彈性體振動(dòng)來驅(qū)動(dòng)鐘表齒輪，工作頻率為360Hz，這種鐘表走時(shí)準(zhǔn)確，每月的誤差只有一分鐘，打破了那個(gè)時(shí)代的紀(jì)錄，引起了轟動(dòng)。3）前蘇聯(lián)學(xué)者V.V.Lavrinenko于1964年設(shè)計(jì)了第一臺(tái)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，如設(shè)計(jì)了用于微型機(jī)器人的有2或3個(gè)自由度的超聲波電機(jī)、人工超聲肌肉及超聲步進(jìn)電機(jī)等。不過，由于語(yǔ)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)界所充分了解。4）1969年，英國(guó)Salfod大學(xué)的兩名教授介紹了一種伺服壓電電機(jī)，這種電機(jī)采用二片式壓電體結(jié)構(gòu)，其速度、運(yùn)動(dòng)形式和方向都可以任意變化，響應(yīng)速度也是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)所不能及的。5）美國(guó)IBM公司的Barth也在1973年提出了一種超聲波電動(dòng)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。,特種電機(jī)及其控制,2.實(shí)用化階段(20世紀(jì)70年代末80年代末)1978年，前蘇聯(lián)的Vasiliev成功地構(gòu)造了一種能夠驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載的壓電超聲波電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)使用由位于兩個(gè)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(dòng)片縱向振動(dòng)，通過振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子間的摩擦來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shí)由于溫度的升高、摩擦及磨損等原因，很難保持振動(dòng)片的恒幅振動(dòng)。日本的T.Sashida在Vasiliev的研究基礎(chǔ)上，于1980年提出并成功地制造了一種駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)使用Langevin激振器，驅(qū)動(dòng)頻率為27.8kHz，電輸入功率為90W，機(jī)械輸出功率為50W，輸出扭矩為0.25Nm，首次達(dá)到了能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，但由于振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子的接觸是固定在一個(gè)位置上，仍存在著接觸表面上摩擦和磨損等問題。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),特種電機(jī)及其控制,1982年，Sashida又提出并制造了另一臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)行波型超聲波電動(dòng)機(jī)，從原來的由駐波定點(diǎn)、定期推動(dòng)轉(zhuǎn)子變換成由行波連續(xù)不斷地推動(dòng)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)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(dòng)。之后，在日本掀起了利用各種振動(dòng)模態(tài)的研究熱潮，如利用縱向、彎曲、扭轉(zhuǎn)等振動(dòng)來獲得橢圓運(yùn)動(dòng)。這種電機(jī)的研究成功，為超聲波電動(dòng)機(jī)走向?qū)嵱秒A段奠定了基礎(chǔ)。1987年，行波超聲波電動(dòng)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(dòng)機(jī)新產(chǎn)品不斷地研制出來并推向市場(chǎng)。到20世紀(jì)80年代中期日本已形成三個(gè)系列的超聲波電動(dòng)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，ElectroMechanicalSystems公司也推出了英國(guó)第一個(gè)商用超聲波電動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品USR30。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),特種電機(jī)及其控制,3.深層次研究(20世紀(jì)90年代)在20世紀(jì)80年代，國(guó)外的研究工作主要集中在研究新的驅(qū)動(dòng)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(dòng)力傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，尚未能顧及到性能的改善。由于對(duì)超聲波電動(dòng)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(dòng)機(jī)的研究帶有一定程度的盲目性。直到90年代后，超聲波電動(dòng)機(jī)的建模、性能預(yù)測(cè)等理論問題才開始引起關(guān)注，但至今尚無系統(tǒng)的論述。目前，世界各國(guó)對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的研究極為活躍，超聲波電動(dòng)機(jī)的研究趨向多元化。例如，美國(guó)利用其先進(jìn)的材料和IC工藝研制出的微型超聲波電動(dòng)機(jī)，其尺寸僅有數(shù)百微米(250m500m2m)，驅(qū)動(dòng)電壓的典型值是5V，最低為1.5V，轉(zhuǎn)速為150r/min。而大型超聲波電動(dòng)機(jī)的扭矩達(dá)400Nm。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),特種電機(jī)及其控制,3超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用,超聲波電動(dòng)機(jī)將電致伸縮、超聲振動(dòng)、波動(dòng)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(dòng)機(jī)。(1)低速大轉(zhuǎn)矩:在超聲波電機(jī)中，超聲振動(dòng)的振幅一般不超過幾微米，振動(dòng)速度只有幾厘米每秒到幾米每秒。無滑動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的速度由振動(dòng)速度決定，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般很低，每分鐘只有十幾轉(zhuǎn)到幾百轉(zhuǎn)。由于定子和轉(zhuǎn)子間靠摩擦力傳動(dòng)，若兩者之間的壓力足夠大，轉(zhuǎn)矩就很大。(2)體積小、重量輕:超聲波電機(jī)不用線圈，也沒有磁鐵，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，與普通電機(jī)相比，在輸出轉(zhuǎn)矩相同的情況下，可以做得更小、更輕、更薄。(3)反應(yīng)速度快，控制特性好:超聲波電動(dòng)機(jī)靠摩擦力驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)體的質(zhì)量較輕，慣性小，響應(yīng)速度快，起動(dòng)和停止時(shí)間為毫秒量級(jí)。因此它可以實(shí)現(xiàn)高精度的速度控制和位置控制。,特種電機(jī)及其控制,4)無電磁干擾:超聲波電動(dòng)機(jī)沒有磁極，因此不受電磁感應(yīng)影響。同時(shí)，它對(duì)外界也不產(chǎn)生電磁干擾，特別適合強(qiáng)磁場(chǎng)下的工作環(huán)境。在對(duì)EMI(電磁干擾)要求嚴(yán)格的環(huán)境下，采用超聲波電機(jī)也很合適。(5)停止時(shí)具有保持力矩:超聲波電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子總是緊密接觸，切斷電源后，由于靜摩擦力的作用，不采用剎車裝置仍有很大保持力矩，尤其適合宇航工業(yè)中失重環(huán)境下的運(yùn)行。(6)形式靈活，設(shè)計(jì)自由度大:超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力發(fā)生部分的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)。,3超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用,特種電機(jī)及其控制,由于超聲波電動(dòng)機(jī)具有電磁電機(jī)所不具備的許多特點(diǎn)，盡管它的發(fā)明與發(fā)展僅有20多年的歷史，但在宇航、機(jī)器人、汽車、精密定位、醫(yī)療器械、微型機(jī)械等領(lǐng)域已得到成功的應(yīng)用。日本Canon公司將超聲波電機(jī)用于其EOS620/650自動(dòng)聚焦單鏡頭反射式照相機(jī)中；歐洲將超聲波電機(jī)用于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及微動(dòng)設(shè)備，如1986年獲Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)的掃描隧道顯微鏡(STM)；美國(guó)在宇宙飛船、火星探測(cè)器、導(dǎo)彈、核彈頭等航空航天工程中也都陸續(xù)應(yīng)用了超聲波電動(dòng)機(jī)。,3超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),Tiny,Ultrasonic,PiezoelectricMotorsPennStateUniversity，USA,ChinaDevelopsWorldsThinnestUltrasonicMotor(PeoplesDailyOnline,December06,2001)Thewhitecylindricalmotor,developedbyChinasprestigiousQinghuaUniversity,is5-millimeterlongandweighs36mg.Itsdiameterisonlyonemillimeter.Theminimotorcanbeusedinmedicalapplications,bioscienceandnationaldefense.,清華大學(xué)研制的微型超聲電機(jī)（2001）,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),日本Canon公司將USM用于照相機(jī)的聚焦系統(tǒng),特種電機(jī)及其控制,NASA將超聲電機(jī)用于空間機(jī)器人技術(shù)CoddarSpaceFlightCenter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MicroArmI使用了具有力矩0.05Nm的超聲電機(jī)。火星機(jī)器手MarsArmII使用了3個(gè)具有力矩為0.68Nm和一個(gè)具有0.11Nm的超聲電機(jī),特種電機(jī)及其控制,美國(guó)Vanderbilt大學(xué)將超聲電機(jī)應(yīng)用于微型飛行器,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),美國(guó)加州大學(xué)研制的智能藥片,特種電機(jī)及其控制,4超聲波電動(dòng)機(jī)的常見結(jié)構(gòu)與分類,(1)環(huán)狀或盤式行波型超聲波電動(dòng)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(duì)極化后的壓電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曲行波。對(duì)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(dòng)，定子上的齒槽用于改善電機(jī)的工作性能。,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),(2)直線式行波型超聲波電動(dòng)機(jī),雙Langevin振子型：利用兩個(gè)Langevin壓電換能器，分別作為激振器和吸振器，當(dāng)吸振器能很好地吸收激振器端傳來的振動(dòng)波時(shí)，有限長(zhǎng)直梁似乎變成了根半無限長(zhǎng)梁，這時(shí)，在直梁中形成單向行波，驅(qū)動(dòng)滑塊作直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)互換激振器與吸振器的位置時(shí)，形成反向行波，實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)。,單軌型直線超聲波電動(dòng)機(jī)，把金屬兩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動(dòng)體(滑塊)。壓電陶瓷片粘在導(dǎo)軌的背面，通過兩相時(shí)間、空間互差90電角度的壓電陶瓷橫向伸縮，在封閉的彈性導(dǎo)軌中激發(fā)出由兩個(gè)同頻駐波疊加而成的行波，以此驅(qū)動(dòng)壓緊在導(dǎo)軌上的滑塊做直線運(yùn)動(dòng)。,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),(3)駐波型超聲波電動(dòng)機(jī),Sashida研制的楔形駐波型超聲波電動(dòng)機(jī):由Langevin振子、振子前端的楔形振動(dòng)片和轉(zhuǎn)子三部分組成。振子的端面沿長(zhǎng)度方向振動(dòng)，楔形結(jié)構(gòu)振動(dòng)片的前端面與轉(zhuǎn)子表面稍微傾斜接觸(夾角為)，誘發(fā)振動(dòng)片前端產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)的分量，產(chǎn)生橫向共振，縱橫振動(dòng)合成的結(jié)果，使振動(dòng)片前端質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為橢圓。振動(dòng)片向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子接觸處的摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)；向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，脫離接觸，沒有運(yùn)動(dòng)的傳遞，轉(zhuǎn)子依靠其慣性保持方向向上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種電機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但存在兩個(gè)缺點(diǎn)：在振動(dòng)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)。,特種電機(jī)及其控制,日立Maxell公司的改進(jìn)型駐波超聲波電動(dòng)機(jī)，采用機(jī)械扭轉(zhuǎn)連接器取代了楔形振動(dòng)片，借助扭轉(zhuǎn)連接器將壓電振子產(chǎn)生的縱向振動(dòng)誘發(fā)出扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，兩種振動(dòng)在扭轉(zhuǎn)連接器前端合成質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到120r/min，輸出轉(zhuǎn)矩1.3Nm，能量轉(zhuǎn)換效率為80，超過傳統(tǒng)電磁型電機(jī)。,(3)駐波型超聲波電動(dòng)機(jī),采用扭轉(zhuǎn)連接器的駐波型超聲波電動(dòng)機(jī),特種電機(jī)及其控制,駐波超聲波電動(dòng)機(jī)是利用在彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體移動(dòng)。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(dòng)。因此，駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)通過激發(fā)并合成相互垂直的兩個(gè)駐波，使得彈性體表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓振動(dòng)，直接或間接地驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)而輸出能量。,根據(jù)激勵(lì)兩個(gè)駐波振動(dòng)的方式不同,駐波超聲波電動(dòng)機(jī)分為縱扭振動(dòng)復(fù)合型:采用兩個(gè)獨(dú)立的壓電振子分別激發(fā)互相垂直的兩個(gè)駐波振動(dòng)，合成彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)軌跡。模態(tài)轉(zhuǎn)換型：模態(tài)轉(zhuǎn)換型僅有一個(gè)壓電振子激發(fā)某一方向的振動(dòng)，再通過一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)換振子同時(shí)誘發(fā)與其垂直的振動(dòng)，二者合成彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)軌跡，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)。（如前兩例）,特種電機(jī)及其控制,縱扭復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)定子由兩個(gè)獨(dú)立的振子所組成：縱向振子控制定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦力(正壓力)；扭轉(zhuǎn)振子控制輸出轉(zhuǎn)矩。由于兩種復(fù)合運(yùn)動(dòng)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(dòng)，并且為設(shè)計(jì)者提供了較大的設(shè)計(jì)空間。,特種電機(jī)及其控制,（4）非接觸式超聲波電動(dòng)機(jī),定子與轉(zhuǎn)子之間不直接接觸，而是在它們之間填充一種介質(zhì)：液體或氣體。當(dāng)定子振動(dòng)時(shí)，也就引起了介質(zhì)的振動(dòng)，在介質(zhì)與轉(zhuǎn)子的接觸面就形成了摩擦力，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。非接觸式超聲波電動(dòng)機(jī)是以犧牲轉(zhuǎn)矩為代價(jià)的，其驅(qū)動(dòng)力都很小。,東京工業(yè)大學(xué)TohgoYamazaki等研制的圓筒型非接觸式超聲波電動(dòng)機(jī)。其定子由硬鋁制成，定子圓筒長(zhǎng)為16.5mm、內(nèi)徑56mm、外徑61.8mm，并由兩個(gè)Langevin振子激勵(lì)，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(shí)，轉(zhuǎn)子懸浮起來并沿著行波前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電源的頻率為26kHz，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000r/min。由于采用了Langevin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)用場(chǎng)合。,特種電機(jī)及其控制,(5)多自由度超聲波電動(dòng)機(jī),三自由度超聲波電機(jī),兩自由度超聲波電動(dòng)機(jī),電機(jī)由球形轉(zhuǎn)子、兩對(duì)徑向定子等組成。定子是一個(gè)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。利用粘貼在定子上的壓電陶瓷同時(shí)在定子上激發(fā)出兩個(gè)在空間互相垂直的振動(dòng)模態(tài)，兩個(gè)模態(tài)合成使得定子側(cè)表面產(chǎn)生行波，從而通過摩擦接觸驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。兩對(duì)徑向定子置于一個(gè)平面內(nèi)不同的位置，這樣電機(jī)就可得到兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。,特種電機(jī)及其控制,超聲波電動(dòng)機(jī)的分類,特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),5行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制,行波USM的常用控制方式:控制電壓幅值,但調(diào)速范圍受到限制。電壓過低,壓電元件不會(huì)起振;電壓過高,又會(huì)接近壓電元件的工作極限。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,因?yàn)殡姍C(jī)動(dòng)作點(diǎn)在諧振點(diǎn)附近,且調(diào)頻具有響應(yīng)快的特點(diǎn)。變頻調(diào)速對(duì)超聲電機(jī)較為合適。(3)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(dòng)軌跡。但低速啟動(dòng)困難,驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。,特種電機(jī)及其控制,USM頻率控制的的驅(qū)動(dòng)與控制電路框圖,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),特種電機(jī)及其控制,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,上一節(jié),下一節(jié),USM的幾種控制策略,特種電機(jī)及其控制,6超聲波電機(jī)存在的問題及研究重點(diǎn),USM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：(1)控制困難:從理論上來說，目前超聲波電機(jī)仍然沒有一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來對(duì)其振動(dòng)過程和運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)的難度大大增加。此外