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1、超声电机认知及知识扩充学习报告2013.10 1超声电机原理及未来发展超声电机认知及知识扩充学习报告2013.10 2摘要超声电机起源于上世纪八十年代，前后经历了数十年的发展。具有力矩/质量比大，结构紧凑，低速大扭矩，响应快，电磁兼容性和控制性能好等突出优点； 并已各个领域得到广泛的应用。超声电机理论、方法、制作、应用、研究都取得丰富的成果。其原理是利用压电材料的逆压电效应使得驻波叠加形成行波实现能量转换，最终通过定转子之间摩擦实现转子运转。其使用的压电材料为压电陶瓷，压电材料和摩擦材料均应达到一定的要求。目前超声电机还存在一定缺陷亟待完善，但未来超声电机其必将向各个领域发展，并得到广泛应用。
2、关键词：超声电机 经历 逆压电效应 振动 驻波 行波 压电材料 缺陷 发展AbstractUltrasonic motor originated in the eightys of the last century, and has experienced decades of development. With torque / mass ratio, compact structure, high torque at low speed, quick response, outstanding advantages of electromagnetic compatibility and
3、good control performance; widely used in various fields . Theory, method, ultrasonic motor manufacture, application, research have seen abundant achievements. Its principle is to use the inverse piezoelectric effect of piezoelectric material which can engender standing wave superimposition ,thus pro
4、ducing traveling wave, then the friction between the stator and rotor cause the rotor to move，realizing the energy conversion. The use of piezoelectric materials for the piezoelectric ceramics, piezoelectric material and friction materials shall meet certain requirements. The ultrasonic motor also h
5、as some defects to be improved, but the future for ultrasonic motor is bound to be the development in all fields, and extremely wide use.Key words：Ultrasonic motor Experience Inverse piezoelectric effectVibration Standing wave Traveling wave Piezoelectric materialDefect development超声电机认知及知识扩充学习报告201
6、3.10 3目录引言51、超声电机的发展与当今的应用62、超声电机工作原理82.1 逆压电效应82.2 椭圆运动92.3 行波产生与转子运动的形成103、超声电机压电材料和摩擦材料123.1 压电材料概述123.2 超声电机用压电材料123.3 所用压电材料的性能123.4 摩擦材料134、超声电机的未来134.1 超声电机未来的应用134.2 超声电机未来亟待完善之处13结语14超声电机认知及知识扩充学习报告2013.10 4参考文献14引言超声电机起于上世纪八十年代，具有力矩/质量比大，结构紧凑，低速大扭矩，响应快，电磁兼容性和控制性能好等突出优点； 并已在机器人、精密仪器仪表、医疗器械、
7、航空航天及新型武器装备等领域得到广泛的应用。超声电机对我们的国防事业有着潜在的促进作用。未来中国的导弹不仅要打得远、威力大，还要打得准，打的巧。超声电机用于我国弹道导弹的末端控制之中，不仅能提高现有导弹的精度，而且通过改造已有产品降低了生产成本，制导炮弹的发展中，在其负载能力加以改进下也能用于炮弹飞行的控制中去，配合制导系统，让炮弹不仅“跑”的快、眼睛亮，而且会“急转弯” 。超声电机理论、方法、制作、应用、研究都取得丰富的成果，然而诸多本科生对此并不了解，而赵敦生教授的讲座介绍了超声电机的原理以及其在军民各领域的广泛应用，给了我们深刻的启迪。由于能力有限，仅对一些概论性、原理性知识加以总结。并
8、对一些细节加以学习和报告。因而论文报告内容包括超声电机的发展、特点、基本原理、所需的振动理论进行介绍，并对压电材料、机械摩擦材料进行简单的学习报告，最后对超声电机的未来进行展望。超声电机认知及知识扩充学习报告2013.10 51、超声电机的发展与当今的应用超声电机（ultrasonic motor，USM）是一种全新概念的微特电机。它利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段内微振幅震动，通过定子与转子之间的摩擦让转子做旋转（直线）运动。图 1 音叉震动驱动钟表齿轮超声电机认知及知识扩充学习报告2013.10 6图 2 lavrinenco 发明的超声电机超声电机起源于上世纪八十年代。19
9、48年 Williams 和 Brown 的“压电马达”点燃了研究超声电机的火花。1961年，日本利用音叉往复位移驱动钟表齿轮（图1） ，频率360Hz，月误差一分钟，刷新了当时的纪录，开创了人类利用弹性振动获取动力的先河。1965年，前苏联的 Lavrinenco 提出了如图2所示的超声电机，利用压电板的振动驱动转子，并申请了国家专利，归纳出超声电机具有结构简单、成本低、低俗大扭矩、能量密度大、运动精确、能量转换效率高等特性。1973年，IBM 公司的 Barth 提出了用图3所示的具有现代超声电机原理的结构方案。他利用压电元件使一种具有牛角尖形的压电振子产生振动。通过压电振子的牛角尖端与转
10、子表面接触，摩擦来驱动转子转动。后来人们又做出了利用弹簧将矩形压电复合板的边缘压在转子上，通过激发板的纵向振动模态驱动转子。如图4。图 3 Barth 提出的超声电机 图 4 超声电机1981年，立陶宛 Vasiliev 成功成功构造出了一种能够驱动较大负载的超声电机，这种电机定子为一个在两个金属块之间夹紧压电元件所组成的超声换能器。用该换能器激发与转子接触的振动片的纵向震动。通过此震动片与转子间的摩擦来驱动转子转动。这种结构不仅能降低共振频率，而且能放大振幅。该电机被用来驱动唱片机的转盘，成为当时最先被实际应用的压电驱动器。1982年，日本 Sashida 在其基础上，提出并制造了驻波型压电
11、超声电机。后来，他又于1983年制造了行波形超声电机。原理如图5所示。后来，Sashida根据行波超声电机的原理，首先提出了两种直线电机，一种是环梁式（图6） ，一种是直梁式（图7） 。超声电机认知及知识扩充学习报告2013.10 71987年，Sashida 创建了 Shinsei 工业公司，正式把行波超声电机作为商品出售。Canon图 5 Sashida 提出的行波超声电机 图 6 Sashida 提出的环梁式直线电机图 7 Sashida 提出的直梁式直线电机公司将其研发的环形行波超声电机正式应用到 EOS（电子光学系统）相机镜头调焦系统中标志着超声电机开始走向实用阶段。超声电机的研究在
12、我国始于二十世纪九十年代，清华大学、浙大、南京航空航天大学、哈工大等相继展开了相应的研究，并取得了可喜的成果。南京地区，南航的超声电机做得最好，并且申请获得了国家重点实验室（合用） ，说明其在超声电机方面达到了国内领先水平。更重要的是其已经和企业联合，将其研发成果产业化。而且，赵教授团队研发的超声电机技术，将应用于我国的人造卫星和“嫦娥三号”登月车。他们研发的超声电机具有重量轻、噪音小、响应快、不受电磁干扰等优点，传统电磁电机为187克，超声电机只有55克，而人造卫星上是“一克重量一克金” 。拒其介绍，其研制的超声电机应用于东南大学生物医学工程科研项目中的细胞穿刺，帮助后者获得了国家奖项。目前
13、赵教授团队研制的超声电机已经应用于中国核聚变重大工程等项目中。下面则是超声电机的主要应用。光学仪器 照相机、摄像机、显微镜汽车 座椅调节电机、头靠调节电机、自动天线电机、自动门锁电机、自动窗电机、顶板调节电机、计价器电机、电子反光镜等航空航天 飞机飞艇等工业控制 镗床、磨床、机器人等医疗器械 生物材料微型操作器、计量设备、微型喷嘴、冲击发生器、肾结石破碎治疗机、器官超声超声电机认知及知识扩充学习报告2013.10 8等 扫描器民用产品 压缩机、电子手表、IC、LSI 等数控机器、印刷线路加工、检测器、晶片元件、半导体片、窗帘自动器2、超声电机工作原理2.1、逆压电效应正压电效应：某些晶体在机械
14、作用下会像在电场作用下一样，发生极化，导致介质两个端面出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与歪理成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生形变的现象，成为正压电效应，逆压电效应：将一块晶体置于外电场中，在其作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移。这一极化位移会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象成为逆压电效应。超声电机正是利用逆压电效应进行工作的，如图 9，在压电体上下表面施加正向电压。即在压电体表面形成上正下负的电场，压电体在长度方向伸张；反之，若在压电体上下表面施加反向电场，则其在长度方向会收缩。故施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。当外电场的交
15、变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体进入机械谐振状态。成为压电振子。超声电机使用的压电体机械谐振频率在 20kHz 以上，故产生超声振动。图 9 逆压电效应示意2.2、椭圆运动根据所学物理知识，我们知道振动位移的轨迹为椭圆时，借助摩擦后才具有连续的定向驱动力。设定子在静止状态下与转子表面有一微小间隙。当定子产生超声振动时，其上的接触摩擦点 A 做周期运动，轨迹为一椭圆。当 A 点运动到椭圆的上半圆时，将于转子表面接触。超声电机认知及知识扩充学习报告2013.10 9并通过摩擦作用拨动转子旋转：当 A 点运动到椭圆的下半圆时，将与转子表面脱离，并反向回程。如果这种椭圆运动连续不断地进行下去。则对转子具有连续的定向拨动作用。从而使转子连续不断地旋转。因此，超声电机定子的任务就是采用合理的结构，通过各种振动组合来形成椭圆运动。形成椭圆振动，只要在空间上形成两个相互垂直的振动 ux 和 uy，均是由谐振动形成，振动角频率为 0，振幅分别为 A1、A2，时间相位差为 ，两个方向振动方程如下。式 2.2.1)sin
