1、 超聲波電動機11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材一、概述11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材 超聲波電動機 (Ultrasonic Motor，簡稱為USM)，是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)為激勵，使定子彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微觀機械振動(振動頻率在20kHz以上)，并通過定子和轉(zhuǎn)子(或動子)之間的摩擦作用，將定子的微觀振動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(或動子)的宏觀的單方向轉(zhuǎn)動(或直線運動)。它打破了傳統(tǒng)電機需由電磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的概念。 11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材 超聲波電機是一個機電耦合系統(tǒng)，它涉及到振動學(xué)、摩擦學(xué)、材料學(xué)、電力電子技術(shù)、自動

2、控制技術(shù)和實驗技術(shù)等，是一項跨學(xué)科的高新技術(shù)。 美國與前蘇聯(lián)首先研制成功原理性超聲波電機，20世紀(jì)80年代，日本致力于將美、蘇的原理型樣機開發(fā)成實用型超聲波電機。到80年代末90年代初，日本的超聲波電機開始進入商業(yè)應(yīng)用。在超聲波電機技術(shù)發(fā)展和實際應(yīng)用方面，日本一直處于世界領(lǐng)先地位。 我國在20世紀(jì)80年代中后期開始研究超聲波電機，進入90年代后，國內(nèi)多所高校和科研院所相繼開展了研究。但目前與國際水平相比，還有不小差距。11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材與傳統(tǒng)電磁式電機相比，超聲波電機具有以下特點:（1）轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比大，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；（2）低速大轉(zhuǎn)矩，無需齒輪減速機構(gòu)，可實

3、現(xiàn)直接驅(qū)動；（3）動作響應(yīng)快(毫秒級)，控制性能好；（4）斷電自鎖；（5）不產(chǎn)生磁場，也不受外界磁場干擾；（6）運行噪聲小；（7）摩擦損耗大，效率低，只有10%40%；（8）輸出功率小，目前實際應(yīng)用的只有10W左右；（9）壽命短，只有10005000h，不適合連續(xù)工作。主要類型：1. 按自身形狀和結(jié)構(gòu)分：2. 按功能分：3.按動作方式分：棒狀或桿狀圓盤或圓環(huán)旋轉(zhuǎn)型直線移動型行波型駐波型11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材平板球型1. 壓電效應(yīng)與壓電振子 11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材二、超聲波電機的運動形成機理壓電材料的應(yīng)變 11.超聲波電動機普通高等

4、教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.橢圓運動及其作用質(zhì)點運動軌跡 橢圓運動的作用 11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材有二個空間相互垂直的振動位移ux和uy，均是由簡諧振動形成的，振動角頻率為，振幅分別為和，時間相位差為消去時間t (n=0, 1, 2, )時，兩個位移為同相運動，合成軌跡為一條直線；當(dāng)當(dāng)時，其軌跡為一橢圓，其中時為一規(guī)則橢圓11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材三、環(huán)形行波型超聲波電機結(jié)構(gòu)與工作原理1.電機結(jié)構(gòu)環(huán)形行波型USM的定子和轉(zhuǎn)子 環(huán)形USM裝配圖 11.超聲波電動機普通高等教育“十一

5、五”國家級規(guī)劃教材壓電陶瓷電極布置圖(a) 正面(b) 反面11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2.運行機理定子彎曲振動產(chǎn)生機理 11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材行波型超聲波電機動作原理圖 11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材圓環(huán)形定子的振動變位 典型工作特性 11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材3.轉(zhuǎn)子運動速度與方向 由兩個駐波疊加形成行波，在機理上與電機學(xué)中的旋轉(zhuǎn)磁場理論有相似之處。由電機學(xué)知道，當(dāng)在單相繞組中通入單相交流電流時產(chǎn)生的是脈動磁場，如果有兩個匝數(shù)相同、空間相差90的繞組，當(dāng)在其中通入大小相等、時間相位

6、互差90的對稱交流電流時，所產(chǎn)生的兩個脈動磁場相合成就得到一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向取決于電流的相序，將任一相的電流反向，就可改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向。這里，單相脈動磁場對應(yīng)著超聲波電機中的駐波，而旋轉(zhuǎn)磁場對應(yīng)著行波。將電磁式電機中的旋轉(zhuǎn)磁場與超聲波電機中的行波聯(lián)系起來，有助于對行波型超聲波電機工作原理的理解。 11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材4.工作特性 與傳統(tǒng)電磁式電機類似，超聲波電動機的工作特性主要是指轉(zhuǎn)速、效率、輸出功率等與輸入轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，這些特性與電機型式、控制方式等多種參數(shù)有關(guān)。一般而言，USM的機械特性與電磁式直流電動機類似，電機的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增大而下

7、降，并且呈明顯的非線性；而USM的效率特性則與電磁式電機不同，最大效率出現(xiàn)在低速、大轉(zhuǎn)矩區(qū)域。因此，USM適合低速運行。總體而言，超聲波電動機的效率較低，目前環(huán)形行波型USM的效率一般不超過45%。11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材四、行波型超聲波電機的速度控制頻率控制 相位控制電壓控制11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材幾種控制方法的比較控制變量控制方法說明優(yōu)點缺點頻率通過調(diào)節(jié)諧振點附近頻率控制轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，易于實現(xiàn)低速起動，電路簡單非線性相位差改變定子表面質(zhì)點橢圓運動軌跡可控制電機轉(zhuǎn)向非線性，不易實現(xiàn)低速起動，有死區(qū)，實現(xiàn)電路較復(fù)雜電壓幅值兩相電壓幅值相等改變行波振幅特性線性度好，實現(xiàn)電路較簡單調(diào)節(jié)范圍小，低速時轉(zhuǎn)矩小，有死區(qū)11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材五、行波型超聲波電機的驅(qū)動電路驅(qū)動電路框圖 11.超聲波電動機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材六、其它類型超聲波電機1.駐波型超聲波電機2.直線型超聲波電