超聲波電動機

1、微特電機課程論文超聲波電動機學(xué) 院: 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 日 期： 摘要：超聲波電機是一個機電耦合系統(tǒng)，涉及到振動學(xué)、摩擦學(xué)、材料學(xué)、電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和實驗技術(shù)等。超聲波電動機利用壓電材料的逆壓電特性，激發(fā)電機定子的機械振動，通過定轉(zhuǎn)子之間的摩擦力，將電能轉(zhuǎn)換為機械能輸出，驅(qū)動轉(zhuǎn)子的定向運動。與傳統(tǒng)電機相比，它具有體積小、低速大轉(zhuǎn)矩、反應(yīng)速度快、不受磁場影響、保持力矩大等優(yōu)點，是一項跨學(xué)科的高新技術(shù)。近幾年來超聲波電動機已成為國內(nèi)外在微型電機方面的研究熱點。超聲波電機（Ultrasonic Motor，簡稱USM）是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種

2、全新概念的新型驅(qū)動裝置 。超聲波電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)在交變電場作用下，陶瓷會產(chǎn)生伸縮的現(xiàn)象直接將電能轉(zhuǎn)變成機械能，這種電機的工作頻率一般在20kHz以上，故稱為壓電超聲波電機。超聲波電動機的不同命名：如振動電動機(Vibration Motor)、壓電電動機(Piezoelectric Motor)、表面波電動機(Surface Wave Motor)、壓電超聲波電動機(Piezoelectric Ultrasonic Motor)、超聲波壓電驅(qū)動器/執(zhí)行器(Ultrasonic piezoelectric actuator)等等。關(guān)鍵字：超聲波電機、逆壓電效應(yīng)、機械振動、高新技術(shù)。

3、0引言超聲波電動機的概念出現(xiàn)于1948年，英國的Williams和Brown申請了“壓電電動機(Piezoelectric Motor)”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)動裝置未能得以實現(xiàn)。1961年，Bulova Watch Ltd公司首次利用彈性體振動來驅(qū)動鐘表齒輪，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，打破了那個時代的紀(jì)錄，引起了轟動。前蘇聯(lián)學(xué)者V. V. Lavrinenko 于1964年設(shè)計了第一臺壓電旋轉(zhuǎn)電機，此后前蘇聯(lián)在超聲波電機研究領(lǐng)域一度處于世界領(lǐng)先水平，如設(shè)計了用于微型機器人的有2 或3 個自由度的超聲波

4、電機、 人工超聲肌肉及超聲步進(jìn)電機等。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)界所充分了解。1969 年，英國Salfod 大學(xué)的兩名教授介紹了一種伺服壓電電機，這種電機采用二片式壓電體結(jié)構(gòu)，其速度、運動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)電機所不能及的。美國IBM 公司的Barth 也在1973 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(xiàn)真正意義上的工作。 1978年，前蘇聯(lián)的Vasiliev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，這種電機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

5、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(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。1982年，Sashida又提出并制造了另一臺超聲波電動機行波型超聲波電動機，從原來的由駐波定點、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。這種電機能夠運轉(zhuǎn)的實質(zhì)就是定子表面的質(zhì)點形成了橢圓運動。之后，在日本掀起了利用各種振動模態(tài)的研究熱潮，如利用縱向、彎曲、扭轉(zhuǎn)等振動來獲得橢圓運動。這種電機的研究成功，為超聲波電動機走向?qū)嵱秒A段奠定了基礎(chǔ)。1987年，行波超聲波

6、電動機終于達(dá)到了商業(yè)應(yīng)用水平。此后許多超聲波電動機新產(chǎn)品不斷地研制出來并推向市場。1 超聲波電機工作原理超聲學(xué)科結(jié)合的新技術(shù)。超聲電機不像傳統(tǒng)的電機那樣，利用電磁的交叉力來獲得其運動和力矩。超聲電機則是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動來獲得其運動和力矩的，將材料的微觀變形通過機械共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運動。二、超聲波電動機的分類。2超聲波電機的特點（1）超聲電機可以得到較低轉(zhuǎn)速，因此輸出力矩較大，可以省去減速機構(gòu)直接帶動負(fù)載。 （2）因為超聲電機不使用電磁場作為驅(qū)動力，因此電磁輻射小。許多情況下，不希望有電機產(chǎn)生強電磁干擾，或者在強磁場環(huán)境中，電磁電機的正常工作會受到影

7、響，而超聲電機不需要做太多的電磁屏蔽處理就可以在這些條件下工作。 （3）超聲電機依靠定、轉(zhuǎn)子之間的接觸摩擦作為驅(qū)動方式，關(guān)閉電源后轉(zhuǎn)子就會馬上停止，并在摩擦力的作用下固定不動 （4）超聲電機的響應(yīng)時間較短，一般在十幾毫秒以內(nèi)。 （5）超聲電機沒有電磁線圈，可以不用銅材，節(jié)省原料造價。 （6）超聲電機的轉(zhuǎn)速可以通過改變驅(qū)動頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，比較靈活。 （7）超聲電機在很小尺寸上都可以有效工作。3超聲波電機的分類3.1.1環(huán)狀或盤式行波型超聲波電動機圖3-1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定的高頻交變電壓，在

8、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摩擦力作用而連續(xù)轉(zhuǎn)動，定子上的齒槽用于改善電機的工作性能。3.1.2 直線式行波型超聲波電動機（1）雙Langevin振子型：利用兩個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波時，有限長直梁似乎變成了根半無限長梁，這時，在直梁中形成單向行波，驅(qū)動滑塊作直線運動。當(dāng)互換激振器與吸振器的位置時，形成反向行波，實現(xiàn)反向運動。圖3-2（2）單軌型直線超聲波電動機：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體(滑塊)。壓電陶瓷片粘

9、在導(dǎo)軌的背面，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)軌上的滑塊做直線運動。圖3-33.1.3 駐波型超聲波電動機Sashida研制的楔形駐波型超聲波電動機由Langevin振子、振子前端的楔形振動片和轉(zhuǎn)子三部分組成。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)子表面稍微傾斜接觸(夾角為q)，誘發(fā)振動片前端產(chǎn)生向上運動的分量，產(chǎn)生橫向共振，縱橫振動合成的結(jié)果，使振動片前端質(zhì)點的運動軌跡近似為橢圓。振動片向上運動時，振動片與轉(zhuǎn)子接觸處的摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動；向下運動時，脫離接觸，沒有運動的傳遞，轉(zhuǎn)

10、子依靠其慣性保持方向向上的運動狀態(tài)。這種電機設(shè)計簡單，但存在兩個缺點：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)。圖3-4日立Maxell公司的改進(jìn)型駐波超聲波電動機，采用機械扭轉(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)連接器前端合成質(zhì)點橢圓運動軌跡，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種電機轉(zhuǎn)速達(dá)到120r/min，輸出轉(zhuǎn)矩1.3N m，能量轉(zhuǎn)換效率為80，超過傳統(tǒng)電磁型電機。圖3-5駐波超聲波電動機是利用在彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來驅(qū)動移動體移動。但是，單一的駐波并不能傳遞能量，因為彈性體表面質(zhì)點作同相振動。因此，駐波型超聲波電動機通過激發(fā)并合

11、成相互垂直的兩個駐波，使得彈性體表面質(zhì)點作橢圓振動，直接或間接地驅(qū)動移動體運動而輸出能量。根據(jù)激勵兩個駐波振動的方式不同,駐波超聲波電動機分為：（1）縱扭振動復(fù)合型:采用兩個獨立的壓電振子分別激發(fā)互相垂直的兩個駐波振動，合成彈性體表面質(zhì)點的橢圓振動軌跡。（2）模態(tài)轉(zhuǎn)換型：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)點的橢圓振動軌跡，驅(qū)動移動體運動。3.1.4 非接觸式超聲波電動機定子與轉(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)定子振動時，也就引起了介質(zhì)的振動，在介質(zhì)與轉(zhuǎn)子的接觸面就形成了摩擦力，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子

12、運轉(zhuǎn)。非接觸式超聲波電動機是以犧牲轉(zhuǎn)矩為代價的，其驅(qū)動力都很小。圖3-63.1.5多自由度超聲波電動機 電機由球形轉(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，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，這樣電機就可得到兩個自由度的運動。4 超聲波電機的基本原理超聲波電機就是利用超聲波頻率范圍內(nèi)的機械振動來獲得動力源的裝置，借助摩擦傳遞彈性超聲波振動以獲得動力。超聲波電機獲得能量的超聲波振動源又與壓電陶

13、瓷有著密切聯(lián)系，當(dāng)對壓電陶瓷施加交變電壓時，壓電陶瓷本身或壓電陶瓷和金屬的混合體就會產(chǎn)生周期性地伸縮，即逆壓電效應(yīng)，通過這種伸縮，電機產(chǎn)生了動力。與傳統(tǒng)的電機不同，超聲波電機無繞組和磁極，無需通過電磁作用產(chǎn)生運動力。一般由振動體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機中的定子，由壓電陶瓷和金屬彈性材料制成)和移動體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機中的轉(zhuǎn)子，由彈性體和摩擦材料及塑料等制成)組成。在振動體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時，利用逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)使定子在超聲頻段(頻率為20KHZ以上)產(chǎn)生微觀機械振動。并將這種振動通過共振放大和摩擦耦合變換成旋轉(zhuǎn)或直線型運動。實現(xiàn)超聲波驅(qū)動有兩個前提條件：首先，需在定子表面激勵出穩(wěn)態(tài)

14、的質(zhì)點橢圓運動軌跡；其次，將定子表面質(zhì)點水平方向的微觀運動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運動或平動。第一個前提條件對應(yīng)著機電能量轉(zhuǎn)換，利用逆壓電效應(yīng)由電能轉(zhuǎn)化成機械振動能：第二個前提條件對應(yīng)著運動形式轉(zhuǎn)化，往往通過定轉(zhuǎn)子間的摩擦力來實現(xiàn)，近年來亦有通過氣體或液體為中間介質(zhì)接觸為非接觸型超聲波電機，也稱為聲懸浮超聲波電機。從超聲電機的工作原理可見，其正常工作離不開兩個能量轉(zhuǎn)換作用：機電轉(zhuǎn)換作用和摩擦轉(zhuǎn)換作用。機電轉(zhuǎn)換作用是指壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，即對壓電陶瓷振子加高頻振蕩電流，使它以超聲波的頻率振動。摩擦轉(zhuǎn)換作用是指彈性體(定子與壓電陶瓷的合稱)的振動經(jīng)過定子與轉(zhuǎn)子工作面間的摩擦作用轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的直線運動或旋轉(zhuǎn)

15、運動。要保證大力矩輸出、止動性好，必須滿足的條件就是有效足夠的機電轉(zhuǎn)換作用和有效穩(wěn)定的摩擦轉(zhuǎn)換作用。此外，人耳所能聽到的的聲音頻率約為20Hz-20KHZ，而當(dāng)頻率超過20KHz以上，人耳便無法辨識，成為超聲波。對超聲波電機的壓電材料輸入電壓所產(chǎn)生的是晶體的形變，因此利用壓電材料來帶動轉(zhuǎn)子，其前進(jìn)的距離相當(dāng)小，約是微米等級，因此若要此電機做長距離運動，就必須輸入超聲波的高頻電壓，使定子產(chǎn)生極高的振動頻率才能得到合適的轉(zhuǎn)速，這也正是超聲波電機的由來。5超聲波電機的驅(qū)動下圖為DSP控制的超聲波電機驅(qū)動原理框圖，DSP作為整個系統(tǒng)的控制單元，通過DSP產(chǎn)生滿足超聲波電機諧振頻率的高頻的方波信號，經(jīng)過

16、前級驅(qū)動電路來控制MOSFET的開關(guān)，由此產(chǎn)生兩路高頻的方波來驅(qū)動超聲波電機。圖5-1驅(qū)動器固定二相輸入電壓為超聲波的額定電壓，二相高頻交流輸出電壓的時間相移取士90，由此實現(xiàn)電機的正、反轉(zhuǎn)控制。圖5-2通過實驗測得，左圖所示是兩相相位相差90度高頻的方波信號波形，此信號用來作為驅(qū)動信號來驅(qū)動行波型超聲波電機。右圖所示是加上電機后，輸出的電壓波形，兩路平滑的、相位位移相差90°的正弦波信號。而轉(zhuǎn)速和兩相驅(qū)動電壓相位差曲線如下圖所示，此時電機為帶負(fù)載運行狀態(tài)。通過改變兩相驅(qū)動電壓相位差可達(dá)到調(diào)速的目的。圖5-36超聲波電機應(yīng)用領(lǐng)域超聲波電動機的應(yīng)用主要體現(xiàn)在微觀領(lǐng)域、要求無電磁干擾的環(huán)

17、境中等一些場合。其應(yīng)用領(lǐng)域可概括如下：(1) 航空航天領(lǐng)域航空航天器往往處在高真空、極端溫度、強輻射、無法有效潤滑等惡劣條件中，且對系統(tǒng)重量要求嚴(yán)苛，超聲馬達(dá)是其中驅(qū)動器的最佳選擇。(2) 精密儀器儀表電磁馬達(dá)用齒輪箱減速來增大力矩，由于存在齒輪間隙和回程誤差，難以達(dá)到很高定位精度，而超聲馬達(dá)可直接實現(xiàn)驅(qū)動，且響應(yīng)快、控制特性好，可用于精密儀器儀表。(3) 機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動用超聲電動機作為機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動器，可將關(guān)節(jié)的固定部分和運動部分分別與超聲馬達(dá)的定、轉(zhuǎn)子作為一體，使整個機構(gòu)非常緊湊。日本開發(fā)出球型超聲電動機，為多自由度機器人的驅(qū)動解決了諸多的難題。(4) 微型機械技術(shù)中的微驅(qū)動器微型電機

18、作為微型機械的核心，是微型機械發(fā)展水平的重要標(biāo)志。微電子機械系統(tǒng)(micro electronic mechanical systems，縮寫MEMS)的制造研發(fā)中，其電機多是毫米級的。醫(yī)療領(lǐng)域是微機械技術(shù)運用最具代表性的領(lǐng)域之一，超聲電機在手術(shù)機器人和外科手術(shù)器械上已得到應(yīng)用。(5) 電磁干擾很強或不允許產(chǎn)生電磁干擾的場合在核磁共振環(huán)境下和磁懸浮列車運行的條件下，電磁電機不能正常工作，超聲馬達(dá)卻能勝任。7超聲波電機的發(fā)展趨勢第一，新型摩擦材料和壓電材料的研制，以提高超聲波電機對環(huán)境的適應(yīng)性。由于超聲波電機是依靠摩擦耦合來輸出能量，接觸面的磨損和疲勞是不可避免的，這極大的制約了超聲波電機的推廣

19、應(yīng)用。目前，超聲波電機主要應(yīng)用在不需要連續(xù)工作的場合，比如照相機的聚焦系統(tǒng)，其累計壽命只需要十多個小時；汽車門窗開關(guān)和座椅頭靠調(diào)整裝置，累計工作時間需要伍百小時。但在許多應(yīng)用場合中，這樣的工作壽命滿足不了實際的需要，因此研究新型摩擦材料和壓電材料顯得尤為重要。為此，世界各國都在研制性能更優(yōu)越的摩擦材料，以提高超聲波電機的使用壽命。第二，微型化和集成化。超聲波電機不同于傳統(tǒng)的磁式電機，它沒有線圈，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。其轉(zhuǎn)矩/體積比大，在結(jié)構(gòu)尺寸縮小時基本能保持效率不變，能量密度較其它微特電機高，非常適合作為微型機電系統(tǒng)中的動力源，因而微型化和集成化是超聲波電機的重要發(fā)展方向。第三，超聲波電機與生物醫(yī)學(xué)工程相結(jié)合，現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展使超聲波電機在這一領(lǐng)域的應(yīng)用前景光明。由于生物醫(yī)學(xué)工程中要對細(xì)胞進(jìn)行加工、傳遞、分離和融合，以及對細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移、重組、拉伸、固定等操作，而尺寸只有幾個微米的細(xì)胞，關(guān)鍵技術(shù)是接近細(xì)胞時的精細(xì)微調(diào)，要求分辨率為幾十納米。要完成以上操作，需要有很高定位精度和精細(xì)操作能力的驅(qū)動裝置。8 總結(jié)超聲波電機以其獨特的優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)簡單、體積