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1、特种电机及其控制,超声波电动机,Ultrasonic Motor,特种电机及其控制,1 超声波电动机的基本原理,3 超声波电动机的优点及其应用,2 超声波电动机的发展,6 超声波电机存在的问题及研究重点,4 超声波电动机的常见结构与分类,5 行波型超声波电动机的驱动控制,教学基本要求,超声波电动机及其发展概况,分析与思考,练习题,返回主页,特种电机及其控制,超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称USM)是近年来发展起来的一种全新概念的驱动装置，它利用压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应)，把电能转换为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式转换成运动体的回转或直线运动。这种新型电机
2、一般工作于20kHz以上的频率，故称为超声波电动机。,1 超声波电动机的基本原理,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,超声波电动机的不同命名：如振动电动机(Vibration Motor)、压电电动机(Piezoelectric Motor)、表面波电动机(Surface Wave Motor)、压电超声波电动机(Piezoelectric Ultrasonic Motor)、超声波压电驱动器/执行器(Ultrasonic piezoelectric actuator)等等。,特种电机及其控制,1.1 超声波电动机的结构,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,特种电机及其控制,上一页,下
3、一页,返回,上一节,下一节,超声波电动机由定子(振动体)和转子(移动体)两部分组成 但电机中既没有线圈也没有永磁体，其定子由弹性体(Elastic body)和压电陶瓷(Piezoelectric ceramic)构成 转子为一个金属板。定子和转子在压力作用下紧密接触，为了减少定、转子之间相对运动产生的磨损，通常在二者之间(在转子上)加一层摩擦材料。,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,工作原理：对极化后的压电陶瓷元件施加定的高频交变电压，压电陶瓷随着高频电压的幅值变化而膨胀或收缩，从而在定子弹性体内激发出超声波振动，这种振动传递给与定子紧密接触的摩擦材料以驱动转子旋转。
4、,特种电机及其控制,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,当对粘接在金属弹性体上的两片压电陶瓷施加相位差为90电角度的高频电压时，在弹性体内产生两组驻波(Standing Wave)，这两组驻波合成一个沿定子弹性体圆周方向行进的行波(Progressive Wave/Travelling Wave)，使得定子表面的质点形成一定运动轨迹(通常为椭圆轨迹)的超声波微观振动，其振幅一般为数微米，这种微观振动通过定子(振动体)和转子(移动体)之间的摩擦作用使转子(移动体)沿某一方向(逆行波传播方向)做连续宏观运动。,特种电机及其控制,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,A. 行波的形成,将极化方向相
5、反的压电陶瓷依次粘贴于弹性体上，当在压电陶瓷上施加交变电压时，压电陶瓷会产生交替伸缩变形，在一定的频率和电压条件下，弹性体上会产生图示的驻波，用方程表示为,1) 高频电压驻波,1.2 USM的工作原理,特种电机及其控制,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,A.行波的形成,2) 两驻波行波,设A、B两个驻波的振幅同为0，二者在时间和空间上分别相差90，方程分别为,在弹性体中，这两个驻波的合成为一行波,特种电机及其控制,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,极化规律：将一片压电陶瓷环极化为A、B两相区，两相区之间有/4的区域未极化，用作控制电源反馈信号的传感器，另有3/4波长的区域作为两相区的公
6、共区。极化时，每隔1/2波长反向极化，极化方向为厚度方向。图中“+”“”代表压电片的极化方向相反，两组压电片空间相差/4，相当于90，分别通以同频、等幅、相位相差为90的超声频域的交流信号，这样两相区的两组压电体就在时间与空间上获得90相位差的激振。,A.行波的形成,3) 在USM中形成行波,USM的定子由环形弹性体和环形压电陶瓷构成，压电陶瓷按图示的规律极化，即可产生两个在时间和空间上都相差90的驻波。,特种电机及其控制,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,B.弹性体表面的椭圆运动,设弹性体厚度为h。若弹性体表面任一点P在弹性体未挠曲时的位置为P0，则从P0到P在y方向的位移为,由于行波的
7、振幅比行波的波长小得多，弹性体弯曲的角度 很小，故y方向的位移近似为,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,B.弹性体表面的椭圆运动,从P0到P在x方向的位移为,又,所以,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,弹性体表面上任意一点P按照椭圆轨迹运动，这种运动使弹性体表面质点对移动体产生一种驱动力，且移动体的运动方向与行波方向相反。,B.弹性体表面的椭圆运动,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,弹性体表面质点的横向运动速度为,横向速度在行波的波峰和波谷处最大。若假设在弹性体与移动体接触处的滑动为零，则移动体的运动速度与波峰处质点横向速
8、度相同。其最大速度为,V行波在定子中的传播速度 f 电机的激振频率,调节激振频率可以调节电机的转速，但是有非线性。在保持两相驻波等幅的前提下，若忽略压电陶瓷的应变随激励电压的非线性，改变驻波的振幅0，即调节压电陶瓷的激振电压，可以做到线性调速，这是调压调速的一大优点。,C.USM的调速方法,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,2 超声波电动机的发展,超声波电动机的发展大体可分为以下三个阶段：,探索阶段(1948年20世纪70年代末) USM 原型出现 实用化阶段(20世纪70年代末80年代末) 商用USM 产品出现 深层次研究(20世纪90年代) 机理、材料、结构、驱动控
9、制、应用 多样化,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,1. 探索阶段(1948年20世纪70年代末) 1）超声波电动机的概念出现于1948年，英国的Williams和Brown申请了“压电电动机(Piezoelectric Motor)”的专利，提出了将振动能作为驱动力的设想，然而由于当时理论与技术的局限，有效的驱动装置未能得以实现。 2）1961年，Bulova Watch Ltd公司首次利用弹性体振动来驱动钟表齿轮，工作频率为360Hz，这种钟表走时准确，每月的误差只有一分钟，打破了那个时代的纪录，引起了轰动。 3）前苏联学者V. V. Lavrinenko 于196
10、4年设计了第一台压电旋转电机，此后前苏联在超声波电机研究领域一度处于世界领先水平，如设计了用于微型机器人的有2 或3 个自由度的超声波电机、 人工超声肌肉及超声步进电机等。不过，由于语言等方面的原因, 前苏联的一些重要研究成果并未被西方科学界所充分了解。 4）1969 年，英国Salfod 大学的两名教授介绍了一种伺服压电电机，这种电机采用二片式压电体结构，其速度、运动形式和方向都可以任意变化，响应速度也是传统结构电机所不能及的。 5）美国IBM 公司的Barth 也在1973 年提出了一种超声波电动机的模型，从而使这种新型电机可以实现真正意义上的工作。,特种电机及其控制,2. 实用化阶段(2
11、0世纪70年代末80年代末) 1978年，前苏联的Vasiliev成功地构造了一种能够驱动较大负载的压电超声波电动机，这种电机使用由位于两个金属块之间的压电元件所组成的超声换能器，将该换能器激起与转子接触的振动片纵向振动，通过振动片与转子间的摩擦来驱动转子转动。这种结构的优点在于不仅能降低共振频率，而且能放大振幅，遗憾的是，这种电机在运转时由于温度的升高、摩擦及磨损等原因，很难保持振动片的恒幅振动。 日本的T. Sashida在Vasiliev的研究基础上，于1980年提出并成功地制造了一种驻波型超声波电动机。该电机使用Langevin激振器，驱动频率为27.8 kHz，电输入功率为90W，机
12、械输出功率为50W，输出扭矩为0.25Nm，首次达到了能够满足实际应用的要求，但由于振动片与转子的接触是固定在一个位置上，仍存在着接触表面上摩擦和磨损等问题。,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,特种电机及其控制,1982年，Sashida又提出并制造了另一台超声波电动机行波型超声波电动机，从原来的由驻波定点、定期推动转子变换成由行波连续不断地推动转子，大大地降低了定子与转子接触面上的摩擦和磨损。这种电机能够运转的实质就是定子表面的质点形成了椭圆运动。之后，在日本掀起了利用各种振动模态的研究热潮，如利用纵向、弯曲、扭转等振动来获得椭圆运动。这种电机的研究成功，为超声波电动机走向实用阶段奠定
13、了基础。 1987年，行波超声波电动机终于达到了商业应用水平。此后许多超声波电动机新产品不断地研制出来并推向市场。到20世纪80年代中期日本已形成三个系列的超声波电动机：即日立马克赛尔公司的驻波扭转耦合器系列、松下电器公司的行波系列和新生公司的弯曲波模态系列。除日本外，Electro Mechanical Systems 公司也推出了英国第一个商用超声波电动机系列产品USR30。,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,特种电机及其控制,3. 深层次研究(20世纪90年代) 在20世纪80年代，国外的研究工作主要集中在研究新的驱动机理、构造新的结构形式、开发新型电机等方面，着重于动力传输的实现，
14、尚未能顾及到性能的改善。由于对超声波电动机的基础理论研究得不够透彻，没有形成完整的设计理论，使超声波电动机的研究带有一定程度的盲目性。直到90年代后，超声波电动机的建模、性能预测等理论问题才开始引起关注，但至今尚无系统的论述。 目前，世界各国对超声波电动机的研究极为活跃，超声波电动机的研究趋向多元化。例如，美国利用其先进的材料和IC工艺研制出的微型超声波电动机，其尺寸仅有数百微米(250m500m2m)，驱动电压的典型值是5V，最低为1.5V，转速为150r/min。而大型超声波电动机的扭矩达400Nm。,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,特种电机及其控制,3 超声波电动机的优点及其应用
15、,超声波电动机将电致伸缩、超声振动、波动原理这些毫不相干的概念与电机联系在一起，创造出一种完全新型的电动机。 (1) 低速大转矩: 在超声波电机中，超声振动的振幅一般不超过几微米，振动速度只有几厘米每秒到几米每秒。无滑动时转子的速度由振动速度决定，因此电机的转速一般很低，每分钟只有十几转到几百转。由于定子和转子间靠摩擦力传动，若两者之间的压力足够大，转矩就很大。 (2) 体积小、重量轻: 超声波电机不用线圈，也没有磁铁，结构相对简单，与普通电机相比，在输出转矩相同的情况下，可以做得更小、更轻、更薄。 (3) 反应速度快，控制特性好: 超声波电动机靠摩擦力驱动，移动体的质量较轻，惯性小，响应速度
16、快，起动和停止时间为毫秒量级。因此它可以实现高精度的速度控制和位置控制。,特种电机及其控制,4) 无电磁干扰: 超声波电动机没有磁极，因此不受电磁感应影响。同时，它对外界也不产生电磁干扰，特别适合强磁场下的工作环境。在对EMI(电磁干扰)要求严格的环境下，采用超声波电机也很合适。 (5) 停止时具有保持力矩: 超声波电动机的转子和定子总是紧密接触，切断电源后，由于静摩擦力的作用，不采用刹车装置仍有很大保持力矩，尤其适合宇航工业中失重环境下的运行。 (6) 形式灵活，设计自由度大: 超声波电动机驱动力发生部分的结构可以根据需要灵活设计。,3 超声波电动机的优点及其应用,特种电机及其控制,由于超声波电动机具有电磁电机所不具备的许多特点，尽管它的发明与发展仅有20多年的历史，但在宇航、机器人、汽车、精密定位、医疗器械、微型机械等领域已得到成功的应用。 日本Canon公司将超声波电机用于其EOS620/650自动聚焦单镜头反射式照相机中； 欧洲将超声波电机用于实验平台及微动设备，如1986
