第6章超聲波電動(dòng)機(jī)

超聲波電動(dòng)機(jī)UltrasonicMotor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超聲波電機(jī)的基本原理上一頁下一頁返回上一節(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超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)特種電機(jī)及其控制上一頁下一頁返回上一節(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)及其控制上一頁下一頁返回上一節(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)及其控制上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)當(dāng)對(duì)粘接在金屬彈性體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，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，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)及其控制上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)2超聲波電機(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)及其控制上一頁下一頁返回上一節(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)。特種電機(jī)及其控制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)。特種電機(jī)及其控制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。特種電機(jī)及其控制4）美國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)。上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)特種電機(jī)及其控制日本的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。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)。上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)特種電機(jī)及其控制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公司也推出了英國第一個(gè)商用超聲波電動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品——USR30。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。上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)特種電機(jī)及其控制我國超聲電機(jī)的研究始于20世紀(jì)90年代，清華大學(xué)、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)等先后開展了超聲電機(jī)的研究，并取得了可喜的成果。1989年，清華大學(xué)周鐵英、董蜀湘等申請(qǐng)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直徑1mm的微型圓柱式超聲電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速1800r/min，最大輸出扭矩4μN(yùn)m。特種電機(jī)及其控制浙大研制的直徑80mm、長110mm、最大輸出扭矩13.2Nm、空載轉(zhuǎn)速12.6r/min的超聲電機(jī)。吉林大學(xué)在壓電精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面獲得了顯著的成果，圖為其研制的步進(jìn)式壓電精密驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率(30Hz)、高速度(380μrad/s)、大行程(>270°)、高分辨率(1μrad/step)驅(qū)動(dòng)。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。特種電機(jī)及其控制3超聲波電機(jī)的特點(diǎn)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)結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)靈活，轉(zhuǎn)矩密度大（其轉(zhuǎn)矩密度可達(dá)到傳統(tǒng)電機(jī)的5-10倍），可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的短、小、薄。

(2)低速大轉(zhuǎn)矩，無需齒輪減速機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)直驅(qū)。由此可大大減小齒輪減速箱所引起的體積和重量的增加、振動(dòng)和噪聲的影響，能量的損耗以及傳動(dòng)帶來的誤差，大大提高系統(tǒng)的定位精度和響應(yīng)速度。(3)反應(yīng)速度快，超聲波電動(dòng)機(jī)靠摩擦力驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)體（轉(zhuǎn)子）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)，能斷電自鎖。特種電機(jī)及其控制(4)位置和速度控制特性好，位移分辨率高。在伺服系統(tǒng)中容易實(shí)現(xiàn)微米級(jí)甚至納米級(jí)的控制精度。(5)不產(chǎn)生電磁干擾，也不受電磁感應(yīng)影響。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。(6)低噪聲運(yùn)行。超聲波電機(jī)工作頻率一般大于20kHz，超出人類聽覺范圍，而且電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無減速機(jī)構(gòu)，運(yùn)行時(shí)很安靜，噪聲在45dB以下(7)如果設(shè)計(jì)合理，壓電材料和摩擦材料選用合適，可在真空、高/低溫極端環(huán)境下工作。特種電機(jī)及其控制超聲波電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)(1)功率小、效率低。超聲波電機(jī)工作時(shí)存在兩個(gè)能量的轉(zhuǎn)換過程：一是電能轉(zhuǎn)化為定子振動(dòng)的機(jī)械能；二是通過摩擦作用將定子的微幅振動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的宏觀單向運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)過程都存在能量損耗，因此效率低，一般旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電機(jī)的效率在30%左右，輸出功率小于50W。(2)壽命短，不適合連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合。由于定、轉(zhuǎn)子之間通過摩擦傳遞能量，摩擦界面上存在磨損問題。此外定子的高頻振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致壓電材料的疲勞損壞，功率大、溫度高時(shí)更為嚴(yán)重。(3)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求較高。對(duì)施加在壓電材料上的激勵(lì)信號(hào)的幅值、頻率、相位都有一定的要求。特種電機(jī)及其控制4超聲波電機(jī)與電磁電機(jī)的比較(1)電機(jī)的負(fù)載特性與效率特種電機(jī)及其控制(2)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化和微型化特種電機(jī)及其控制(3)電機(jī)的響應(yīng)特性特種電機(jī)及其控制5超聲波電動(dòng)機(jī)的分類特種電機(jī)及其控制6超聲波電動(dòng)機(jī)的常見結(jié)構(gòu)(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)及其控制上一頁下一頁返回上一節(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)，有限長直梁似乎變成了—根半無限長梁，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)及其控制上一頁下一頁返回上一節(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)及其控制上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)7行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制(1)控制電壓幅值。在一定范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)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(lì)電壓，可以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)速。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。特種電機(jī)及其控制行波USM的常用控制方式:(2)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。特種電機(jī)及其控制行波USM的常用控制方式:(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8超聲波電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用8.1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)速為37r/min，扭矩為0.03N·m。特種電機(jī)及其控制環(huán)形超聲電機(jī)作為佳能公司中高級(jí)鏡頭使用的對(duì)焦電機(jī)，啟動(dòng)和制動(dòng)的速度比傳統(tǒng)的對(duì)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(dòng)。較大的自鎖扭矩，使得超聲電機(jī)停轉(zhuǎn)后，能迅速自動(dòng)鎖住鏡頭。環(huán)形超聲電機(jī)的構(gòu)造極其簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)可以直接利用照相機(jī)的電池供電。1992年，佳能又推出了適于大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)的價(jià)格低廉的小型桿式超聲波電機(jī)。特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8.2在手機(jī)上的應(yīng)用韓國的三星公司將長為5mm，直徑為1.6mm的兩個(gè)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況下，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。特種電機(jī)及其控制8.3在手表上的應(yīng)用日本精工公司早在1991年就推出了一款配置微型超聲電機(jī)的手表。但這個(gè)超聲電機(jī)的不足之處是驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，精工公司采用了駐波型超聲電機(jī)，1996年成功地將直徑為8mm的這種超聲電機(jī)用于手表的振動(dòng)報(bào)警，振動(dòng)是由電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力引起的。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(dòng)機(jī)構(gòu)需要一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和多級(jí)減速齒輪，以產(chǎn)生較大的扭矩推動(dòng)日歷輪轉(zhuǎn)動(dòng)。這就使得整套日歷機(jī)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)部件的尺寸也較大。為了解決這個(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)。這個(gè)直徑為4.5mm，厚度為2.5mm的超聲電機(jī)的啟動(dòng)扭矩是0.02mN·m，不帶負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為2000r/min，驅(qū)動(dòng)頻率約為630kHz。啟動(dòng)扭矩是傳統(tǒng)手表中電磁步進(jìn)電機(jī)的10倍。特種電機(jī)及其控制8.4在醫(yī)療器械上的應(yīng)用美國加州大學(xué)研制的智能藥片特種電機(jī)及其控制8.5在汽車上的應(yīng)用特種電機(jī)及其控制8.6在機(jī)器人上的應(yīng)用特種電機(jī)及其控制日本愛普生公司利用自行研制的世界上最薄的超聲電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的昆蟲機(jī)器人。其質(zhì)量只有12.5g，每秒可移動(dòng)150mm，超聲電機(jī)的厚度只有0.04mm。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。它的最大直徑約為136mm，高度約為85mm，加上電池的質(zhì)量為12.3g，持續(xù)飛行時(shí)間為3min。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(gè)高性能超薄型超聲電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的槳葉，獲得升力。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(dòng)五指靈巧手。五指靈巧手有20個(gè)關(guān)節(jié)(自由度)，每個(gè)關(guān)節(jié)均采用雙端輸出的外徑為30mm，輸出軸徑為4mm的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(gè)靈巧手的質(zhì)量?jī)H為853g。在此之前，有文獻(xiàn)記載的采用傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的最輕靈巧手質(zhì)量為1400g。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。特種電機(jī)及其控制8.7在航空航天上的應(yīng)用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0.05N·m的超聲電機(jī)?；鹦菣C(jī)器手MarsArmII使用了3個(gè)具有力矩為0.68N·m和一個(gè)具有0.11N·m的超聲電機(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)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