第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机1 超声波电动机的基本原理超声波电动机的基本原理 3 3 超声波电动机的优点及其应用超声波电动机的优点及其应用 2 2 超声波电动机的发展超声波电动机的发展 6 6 超声波电机存在的问题及研究重点超声波电机存在的问题及研究重点 4 4 超声波电动机的常见结构与分类超声波电动机的常见结构与分类 5 5 行波型超声波电动机的驱动控制行波型超声波电动机的驱动控制 教学基本要求教学基本要求超声波电动机及其发展概况超声波电动机及其发展概况分析与思考分析与思考练习题练习题返回主页返回主页特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机超声波电动机超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称简称USM)是近年来发展起来的一种全新概念的驱动装是近年来发展起来的一种全新概念的驱动装置，它利用置，它利用压电材料的逆压电效应压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应即电致伸缩效应)，把，把电能转换为弹性体的超声振动电能转换为弹性体的超声振动，并通过，并通过摩擦传摩擦传动的方式动的方式转换成运动体的回转或直线运动。这种新转换成运动体的回转或直线运动。这种新型电机一般工作于型电机一般工作于20kHz以上的频率，故称为超声以上的频率，故称为超声波电动机波电动机。 1 超声波电动机的基本原理超声波电动机的基本原理上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一下一节节超声波电动机的不同命名：超声波电动机的不同命名：如振动电动机如振动电动机(Vibration Motor)、压电电动机压电电动机(Piezoelectric Motor)、表面波电动机表面波电动机(Surface Wave Motor)、压电超声波电动机压电超声波电动机(Piezoelectric Ultrasonic Motor)、超声波压电驱动器超声波压电驱动器/ /执行器执行器(Ultrasonic piezoelectric actuator)等等。等等。 特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机1.1 超声波电动机的结构超声波电动机的结构上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节 超声波电动机由超声波电动机由定子定子( (振动体振动体) )和和转子转子( (移动体移动体) )两部分组成两部分组成 但但电电机机中中既既没没有有线线圈圈也也没没有有永永磁磁体体，其其定定子子由由弹弹性性体体( (Elastic Elastic body)body)和压电陶瓷和压电陶瓷( (Piezoelectric ceramic)Piezoelectric ceramic)构成构成 转转子子为为一一个个金金属属板板。定定子子和和转转子子在在压压力力作作用用下下紧紧密密接接触触，为为了了减减少少定定、转转子子之之间间相相对对运运动动产产生生的的磨磨损损，通通常常在在二二者者之之间间( (在转子上在转子上) )加一层摩擦材料。加一层摩擦材料。特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节工作原理：对极化后的压电陶瓷元件施加工作原理：对极化后的压电陶瓷元件施加定的高频交变电压，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。的摩擦材料以驱动转子旋转。特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下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当对粘接在金属弹性体上的两片压电陶瓷施加相位差为9090 电角度的高频电电角度的高频电压时，在弹性体内产生两组驻波压时，在弹性体内产生两组驻波( (Standing Wave)Standing Wave)，这两组驻波合成一个沿定这两组驻波合成一个沿定子弹性体圆周方向行进的行波子弹性体圆周方向行进的行波( (Progressive Wave/Progressive Wave/TravellingTravelling Wave) Wave)，使得使得定子表面的质点形成一定运动轨迹定子表面的质点形成一定运动轨迹( (通常为椭圆轨迹通常为椭圆轨迹) )的超声波微观振动，其的超声波微观振动，其振幅一般为数微米，这种微观振动通过定子振幅一般为数微米，这种微观振动通过定子( (振动体振动体) )和转子和转子( (移动体移动体) )之间的之间的摩擦作用使转子摩擦作用使转子( (移动体移动体) )沿某一方向沿某一方向( (逆行波传播方向逆行波传播方向) )做连续宏观运动。做连续宏观运动。 特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节A. A. 行波的形成行波的形成 将极化方向相反的压电陶瓷依将极化方向相反的压电陶瓷依次粘贴于弹性体上，当在压电次粘贴于弹性体上，当在压电陶瓷上施加交变电压时，压电陶瓷上施加交变电压时，压电陶瓷会产生交替伸缩变形，在陶瓷会产生交替伸缩变形，在一定的频率和电压条件下，弹一定的频率和电压条件下，弹性体上会产生图示的驻波，用性体上会产生图示的驻波，用方程表示为方程表示为 1) 高频电压高频电压驻波驻波1.2 1.2 USMUSM的工作原理的工作原理特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节A.A.行波的形成行波的形成 2) 两驻波两驻波行波行波设设A A、B B两个驻波的振幅同为两个驻波的振幅同为 0 0，二者在时间和空间上分别相，二者在时间和空间上分别相差差9090 ，方程分别为，方程分别为 在弹性体中，这两个驻波的合成为一行波在弹性体中，这两个驻波的合成为一行波 特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节极极极极化化化化规规规规律律律律：将将一一片片压压电电陶陶瓷瓷环环极极化化为为A A、B B两两相相区区，两两相相区区之之间间有有 /4/4的的区区域域未未极极化化，用用作作控控制制电电源源反反馈馈信信号号的的传传感感器器，另另有有3/43/4波波长长的的区区域域作作为为两两相相区区的的公公共共区区。极极化化时时，每每隔隔1/21/2波波长长反反向向极极化化，极极化化方方向向为为厚厚度度方方向向。图图中中“+”“+”“ ”代代表表压压电电片片的的极极化化方方向向相相反反，两两组组压压电电片片空空间间相相差差 /4/4，相相当当于于9090 ，分分别别通通以以同同频频、等等幅幅、相相位位相相差差为为9090 的的超超声声频频域域的的交交流流信信号号，这这样样两两相相区区的的两两组组压压电电体体就就在在时时间间与与空空间间上上获获得得9090 相相位位差差的的激激振。振。 A.A.行波的形成行波的形成 3) 在在USM中形成行波中形成行波USMUSM的定子由环形弹性体和环形压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规律极化，即可产生两个在时间和空间上都相差和空间上都相差9090 的驻波。的驻波。特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节B.B.弹性体表面的椭圆运动弹性体表面的椭圆运动 设弹性体厚度为设弹性体厚度为h h。若弹性若弹性体表面任一点体表面任一点P P在弹性体未在弹性体未挠曲时的位置为挠曲时的位置为P P0 0，则从则从P P0 0到到P P在在y y方向的位移为方向的位移为 由由于于行行波波的的振振幅幅比比行行波波的的波波长长小小得得多多，弹弹性性体体弯弯曲曲的的角角度度 很很小小，故故y y方方向向的位移近似为的位移近似为特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节B.B.弹性体表面的椭圆运动弹性体表面的椭圆运动 从从P P0 0到到P P在在x x方向的位移为方向的位移为又又所以所以特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节弹弹性性体体表表面面上上任任意意一一点点P P按按照照椭椭圆圆轨轨迹迹运运动动，这这种种运运动动使使弹弹性性体体表表面面质质点点对对移移动动体体产产生生一一种种驱驱动动力力，且且移移动动体体的的运运动动方方向向与与行波方向相反。行波方向相反。B.B.弹性体表面的椭圆运动弹性体表面的椭圆运动 特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节弹性体表面质点的横向运动速度为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度相同。其最大速度滑动为零，则移动体的运动速度与波峰处质点横向速度相同。其最大速度为为V行行波在定子中的传播速度波在定子中的传播速度 f 电机的激振频率电机的激振频率 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，改变驻波的振幅的非线性，改变驻波的振幅 0 0，即调节压电陶瓷的激振电压，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。可以做到线性调速，这是调压调速的一大优点。 C.USMC.USM的调速方法的调速方法特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节2 2 超声波电动机的发展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：超声波电动机的发展大体可分为以下三个阶段：1. 探索阶段探索阶段(1948年年20世纪世纪70年代末年代末)2. USM 原型出现原型出现2.2.实用化阶段实用化阶段(20(20世纪世纪7070年代末年代末8080年代末年代末) ) 商用商用USM USM 产品出现产品出现3.3.深层次研究深层次研究(20(20世纪世纪9090年代年代) ) 机理、材料、结构、驱动控制、应用机理、材料、结构、驱动控制、应用 多样化多样化特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节1. 探索阶段探索阶段(1948年年20世纪世纪70年代末年代末)1 1）超声波电动机的概念出现于）超声波电动机的概念出现于1948年，英国的年，英国的Williams和和Brown申请了申请了“压电电动机压电电动机(Piezoelectric Motor)”的专利，提出了将振动能作为驱动力的的专利，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。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 2）1961年，年，Bulova Watch Ltd公司首次利用弹性体振动来驱动钟表齿轮，公司首次利用弹性体振动来驱动钟表齿轮，工作频率为工作频率为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。个时代的纪录，引起了轰动。3 3）前苏联学者）前苏联学者V. V. Lavrinenko 于于1964年设计了第一台压电旋转电机，此后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，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如设计了用于微型机器人的有器人的有2 或或3 个自由度的个自由度的超声波电机超声波电机、 人工超声肌肉及超声步进电机等。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。界所充分了解。4 4）1969 年，英国年，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。速度也是传统结构电机所不能及的。5 5）美国）美国IBM 公司的公司的Barth 也在也在1973 年提出了一种超声波电动机的模型，从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。而使这种新型电机可以实现真正意义上的工作。 特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机2. 实用化阶段实用化阶段(20世纪世纪70年代末年代末80年代末年代末)19781978年年，前前苏苏联联的的VasilievVasiliev成成功功地地构构造造了了一一种种能能够够驱驱动动较较大大负负载载的的压压电电超超声声波波电电动动机机，这这种种电电机机使使用用由由位位于于两两个个金金属属块块之之间间的的压压电电元元件件所所组组成成的的超超声声换换能能器器，将将该该换换能能器器激激起起与与转转子子接接触触的的振振动动片片纵纵向向振振动动，通通过过振振动动片片与与转转子子间间的的摩摩擦擦来来驱驱动动转转子子转转动动。这这种种结结构构的的优优点点在在于于不不仅仅能能降降低低共共振振频频率率，而而且且能能放放大大振振幅幅，遗遗憾憾的的是是，这这种种电电机机在在运运转转时时由由于于温温度度的的升升高高、摩摩擦擦及及磨损等原因，很难保持振动片的恒幅振动。磨损等原因，很难保持振动片的恒幅振动。日日本本的的T.T. SashidaSashida在在VasilievVasiliev的的研研究究基基础础上上，于于19801980年年提提出出并并成成功功地地制制造造了了一一种种驻驻波波型型超超声声波波电电动动机机。该该电电机机使使用用LangevinLangevin激激振振器器，驱驱动动频频率率为为27.8 27.8 kHzkHz，电电输输入入功功率率为为9090W W，机机械械输输出出功功率率为为5050W W，输输出出扭扭矩矩为为0.250.25N N m m，首首次次达达到到了了能能够够满满足足实实际际应应用用的的要要求求，但但由由于于振振动动片片与与转转子子的的接接触触是是固固定在一个位置上，仍存在着接触表面上摩擦和磨损等问题。定在一个位置上，仍存在着接触表面上摩擦和磨损等问题。上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机19821982年年，SashidaSashida又又提提出出并并制制造造了了另另一一台台超超声声波波电电动动机机行行波波型型超超声声波波电电动动机机，从从原原来来的的由由驻驻波波定定点点、定定期期推推动动转转子子变变换换成成由由行行波波连连续续不不断断地地推推动动转转子子，大大大大地地降降低低了了定定子子与与转转子子接接触触面面上上的的摩摩擦擦和和磨磨损损。这这种种电电机机能能够够运运转转的的实实质质就就是是定定子子表表面面的的质质点点形形成成了了椭椭圆圆运运动动。之之后后，在在日日本本掀掀起起了了利利用用各各种种振振动动模模态态的的研研究究热热潮潮，如如利利用用纵纵向向、弯弯曲曲、扭扭转转等等振振动动来来获获得得椭椭圆圆运运动。这种电机的研究成功，为超声波电动机走向实用阶段奠定了基础。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了基础。19871987年年，行行波波超超声声波波电电动动机机终终于于达达到到了了商商业业应应用用水水平平。此此后后许许多多超超声声波波电电动动机机新新产产品品不不断断地地研研制制出出来来并并推推向向市市场场。到到2020世世纪纪8080年年代代中中期期日日本本已已形形成成三三个个系系列列的的超超声声波波电电动动机机：即即日日立立马马克克赛赛尔尔公公司司的的驻驻波波扭扭转转耦耦合合器器系系列列、松松下下电电器器公公司司的的行行波波系系列列和和新新生生公公司司的的弯弯曲曲波波模模态态系系列列。除除日日本本外外，Electro Electro Mechanical Mechanical Systems Systems 公公司司也也推推出出了了英英国国第第一一个个商商用用超超声声波波电电动动机机系列产品系列产品USR30USR30。上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机3. 深层次研究深层次研究(20世纪世纪90年代年代)在在2020世世纪纪8080年年代代，国国外外的的研研究究工工作作主主要要集集中中在在研研究究新新的的驱驱动动机机理理、构构造造新新的的结结构构形形式式、开开发发新新型型电电机机等等方方面面，着着重重于于动动力力传传输输的的实实现现，尚尚未未能能顾顾及及到到性性能能的的改改善善。由由于于对对超超声声波波电电动动机机的的基基础础理理论论研研究究得得不不够够透透彻彻，没没有有形形成成完完整整的的设设计计理理论论，使使超超声声波波电电动动机机的的研研究究带带有有一一定定程程度度的的盲盲目目性性。直直到到9090年年代代后后，超超声声波波电电动动机机的的建建模模、性性能能预预测测等等理理论论问问题题才才开开始始引引起起关关注注，但至今尚无系统的论述。但至今尚无系统的论述。目目前前，世世界界各各国国对对超超声声波波电电动动机机的的研研究究极极为为活活跃跃，超超声声波波电电动动机机的的研研究究趋趋向向多多元元化化。例例如如，美美国国利利用用其其先先进进的的材材料料和和ICIC工工艺艺研研制制出出的的微微型型超超声声波波电电动动机机，其其尺尺寸寸仅仅有有数数百百微微米米(250(250 m m 500500 m m 2 2 m)m)，驱驱动动电电压压的的典典型型值值是是5 5V V，最低为最低为1.51.5V V，转速为转速为150150r/minr/min。而大型超声波电动机的扭矩达而大型超声波电动机的扭矩达400400N N m m。上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机3 3 超声波电动机的优点及其应用超声波电动机的优点及其应用超超声声波波电电动动机机将将电电致致伸伸缩缩、超超声声振振动动、波波动动原原理理这这些些毫毫不不相相干干的的概概念念与与电机联系在一起，创造出一种完全新型的电动机。电机联系在一起，创造出一种完全新型的电动机。 (1) (1) (1) (1) 低低低低速速速速大大大大转转转转矩矩矩矩: : : : 在在超超声声波波电电机机中中，超超声声振振动动的的振振幅幅一一般般不不超超过过几几微微米米，振振动动速速度度只只有有几几厘厘米米每每秒秒到到几几米米每每秒秒。无无滑滑动动时时转转子子的的速速度度由由振振动动速速度度决决定定，因因此此电电机机的的转转速速一一般般很很低低，每每分分钟钟只只有有十十几几转转到到几几百百转转。由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。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) (2) (2) (2) 体体体体积积积积小小小小、重重重重量量量量轻轻轻轻: : : : 超超声声波波电电机机不不用用线线圈圈，也也没没有有磁磁铁铁，结结构构相相对对简简单单，与与普普通通电电机机相相比比，在在输输出出转转矩矩相相同同的的情情况况下下，可可以以做做得得更更小小、更更轻、更薄。轻、更薄。( ( ( (3) 3) 3) 3) 反反反反应应应应速速速速度度度度快快快快，控控控控制制制制特特特特性性性性好好好好: : : : 超超声声波波电电动动机机靠靠摩摩擦擦力力驱驱动动，移移动动体体的的质质量量较较轻轻，惯惯性性小小，响响应应速速度度快快，起起动动和和停停止止时时间间为为毫毫秒秒量量级级。因因此它可以实现高精度的速度控制和位置控制。此它可以实现高精度的速度控制和位置控制。特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机4) 4) 4) 4) 无无无无电电电电磁磁磁磁干干干干扰扰扰扰: : : : 超超声声波波电电动动机机没没有有磁磁极极，因因此此不不受受电电磁磁感感应应影影响响。同同时时，它它对对外外界界也也不不产产生生电电磁磁干干扰扰，特特别别适适合合强强磁磁场场下下的的工工作作环环境境。在在对对EMI(EMI(电磁干扰电磁干扰) )要求严格的环境下，采用超声波电机也很合适。要求严格的环境下，采用超声波电机也很合适。(5) (5) (5) (5) 停停停停止止止止时时时时具具具具有有有有保保保保持持持持力力力力矩矩矩矩: : : : 超超声声波波电电动动机机的的转转子子和和定定子子总总是是紧紧密密接接触触，切切断断电电源源后后，由由于于静静摩摩擦擦力力的的作作用用，不不采采用用刹刹车车装装置置仍仍有有很很大大保保持持力力矩矩，尤其适合宇航工业中失重环境下的运行。尤其适合宇航工业中失重环境下的运行。(6) (6) (6) (6) 形形形形式式式式灵灵灵灵活活活活，设设设设计计计计自自自自由由由由度度度度大大大大: : : : 超超声声波波电电动动机机驱驱动动力力发发生生部部分分的的结结构可以根据需要灵活设计。构可以根据需要灵活设计。3 3 超声波电动机的优点及其应用超声波电动机的优点及其应用特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机由由于于超超声声波波电电动动机机具具有有电电磁磁电电机机所所不不具具备备的的许许多多特特点点，尽尽管管它它的的发发明明与与发发展展仅仅有有2020多多年年的的历历史史，但但在在宇宇航航、机机器器人人、汽汽车车、精精密密定定位位、医医疗疗器器械械、微微型型机机械械等等领领域域已已得得到到成成功功的应用。的应用。日日本本CanonCanon公公司司将将超超声声波波电电机机用用于于其其EOS620/650EOS620/650自自动动聚聚焦焦单单镜头反射式照相机中；镜头反射式照相机中；欧欧洲洲将将超超声声波波电电机机用用于于实实验验平平台台及及微微动动设设备备，如如19861986年年获获NobelNobel物理学奖的扫描隧道显微镜物理学奖的扫描隧道显微镜( (STM)STM)；美美国国在在宇宇宙宙飞飞船船、火火星星探探测测器器、导导弹弹、核核弹弹头头等等航航空空航航天天工程中也都陆续应用了超声波电动机。工程中也都陆续应用了超声波电动机。3 3 超声波电动机的优点及其应用超声波电动机的优点及其应用特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节Tiny, Ultrasonic, Piezoelectric Motors Penn State University，USAChina Develops Worlds Thinnest Ultrasonic Motor (Peoples Daily Online, December 06, 2001)The white cylindrical motor, developed by Chinas prestigious Qinghua University, is 5-millimeter long and weighs 36 mg. Its diameter is only one millimeter. The mini motor can be used in medical applications, bioscience and national defense. 清华大学研制的微型超清华大学研制的微型超声电机（声电机（20012001）特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节日本日本Canon 公司将公司将USM用于用于照相机的聚焦系统照相机的聚焦系统特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机NASA NASA 将超声电机用于空间机器人技术将超声电机用于空间机器人技术Coddar Space F ligh t Cen ter 将超声电机应用于空间机器人技术。其中微型机器手 MicroArm I 使用了具有力矩 0. 05 Nm 的超声电机。火星机器手 MarsArm II 使用了 3个具有力矩为 0. 68N m 和 一 个 具 有 0. 11 N m 的 超 声 电 机特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机美国美国Vanderbilt 大学将超声电机应用于微型飞行器大学将超声电机应用于微型飞行器上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节美国加州大学研制的智能药片美国加州大学研制的智能药片特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机4 4 超声波电动机的常见结构与分类超声波电动机的常见结构与分类(1) (1) 环状或盘式行波型超声波电动机环状或盘式行波型超声波电动机 由底部粘接着压电陶瓷元件的环状定子和环状转子构成。对极化后的压电由底部粘接着压电陶瓷元件的环状定子和环状转子构成。对极化后的压电陶瓷元件施加陶瓷元件施加定的高频交变电压，在定子弹性体中形成沿圆周方向的弯定的高频交变电压，在定子弹性体中形成沿圆周方向的弯曲行波。对定、转子施加一定的预压力，转子受到与行波传播方向相反的曲行波。对定、转子施加一定的预压力，转子受到与行波传播方向相反的摩擦力作用而连续转动，定子上的齿槽用于改善电机的工作性能。摩擦力作用而连续转动，定子上的齿槽用于改善电机的工作性能。 特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节(2) (2) 直线式行波型超声波电动机直线式行波型超声波电动机双双双双 LangevinLangevinLangevinLangevin振振振振 子子子子 型型型型 ： 利利 用用 两两 个个LangevinLangevin压压电电换换能能器器，分分别别作作为为激激振振器器和和吸吸振振器器，当当吸吸振振器器能能很很好好地地吸吸收收激激振振器器端端传传来来的的振振动动波波时时，有有限限长长直直梁梁似似乎乎变变成成了了根根半半无无限限长长梁梁，这这时时，在在直直梁梁中中形形成成单单向向行行波波，驱驱动动滑滑块块作作直直线线运运动动。当当互互换换激激振振器器与与吸吸振振器器的的位位置置时时，形形成成反反向向行行波，实现反向运动。波，实现反向运动。单轨型直线超声波电动机单轨型直线超声波电动机单轨型直线超声波电动机单轨型直线超声波电动机，把金属两把金属两端焊接起来形成田径跑道状的定子轨端焊接起来形成田径跑道状的定子轨道，并在上面设置具有压紧装置的移道，并在上面设置具有压紧装置的移动体动体(滑块滑块)。压电陶瓷片粘在导轨的。压电陶瓷片粘在导轨的背面，通过两相时间、空间互差背面，通过两相时间、空间互差90 电角度的压电陶瓷横向伸缩，在封闭电角度的压电陶瓷横向伸缩，在封闭的弹性导轨中激发出由两个同频驻波的弹性导轨中激发出由两个同频驻波叠加而成的行波，以此驱动压紧在导叠加而成的行波，以此驱动压紧在导轨上的滑块做直线运动。轨上的滑块做直线运动。 特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节(3) 驻波型超声波电动机驻波型超声波电动机SashidaSashida研制的楔形驻波型超声波电动机研制的楔形驻波型超声波电动机: :由由Langevin振子、振子前端的楔形振动片振子、振子前端的楔形振动片和转子三部分组成。和转子三部分组成。振子的端面沿长度方向振动，楔形结构振动片的前端面与转子表面稍微倾振子的端面沿长度方向振动，楔形结构振动片的前端面与转子表面稍微倾斜接触斜接触(夹角为夹角为 )，诱发振动片前端产生向上运动的分量，产生横向共振，诱发振动片前端产生向上运动的分量，产生横向共振，纵横振动合成的结果，使振动片前端质点的运动轨迹近似为椭圆。振动片纵横振动合成的结果，使振动片前端质点的运动轨迹近似为椭圆。振动片向上运动时，振动片与转子接触处的摩擦力驱动转子运动；向下运动时，向上运动时，振动片与转子接触处的摩擦力驱动转子运动；向下运动时，脱离接触，没有运动的传递，转子依靠其惯性保持方向向上的运动状态。脱离接触，没有运动的传递，转子依靠其惯性保持方向向上的运动状态。这种电机设计简单，但存在两个缺点：在振动片与转子接触处磨损严重；这种电机设计简单，但存在两个缺点：在振动片与转子接触处磨损严重；转子转速较难控制，仅能单方向旋转。转子转速较难控制，仅能单方向旋转。 特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机日立日立MaxellMaxell公司的改进型驻公司的改进型驻波超声波电动机，采用机械波超声波电动机，采用机械扭转连接器取代了楔形振动扭转连接器取代了楔形振动片，借助扭转连接器将压电片，借助扭转连接器将压电振子产生的纵向振动诱发出振子产生的纵向振动诱发出扭转振动，两种振动在扭转扭转振动，两种振动在扭转连接器前端合成质点椭圆运连接器前端合成质点椭圆运动轨迹，驱动转子旋转。这动轨迹，驱动转子旋转。这种电机转速达到种电机转速达到120120r/minr/min，输出转矩输出转矩1.31.3N N m m，能量转换能量转换效率为效率为8080，超过传统电磁，超过传统电磁型电机。型电机。 (3) 驻波型超声波电动机驻波型超声波电动机采用扭转连接器的驻波型超采用扭转连接器的驻波型超声波电动机声波电动机 特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机 驻驻波波超超声声波波电电动动机机是是利利用用在在弹弹性性体体内内激激发发的的驻驻波波来来驱驱动动移移动动体体移移动动。但但是是，单单一一的的驻驻波波并并不不能能传传递递能能量量，因因为为弹弹性性体体表表面面质质点点作作同同相相振振动动。因因此此，驻驻波波型型超超声声波波电电动动机机通通过过激激发发并并合合成成相相互互垂垂直直的的两两个个驻驻波波，使使得得弹弹性性体体表表面面质质点点作作椭椭圆圆振振动，直接或间接地驱动移动体运动而输出能量动，直接或间接地驱动移动体运动而输出能量。根据激励两个驻波振动的方式不同根据激励两个驻波振动的方式不同, ,驻波超声波电动机分为驻波超声波电动机分为纵纵纵纵扭扭扭扭振振振振动动动动复复复复合合合合型型型型: :采采用用两两个个独独立立的的压压电电振振子子分分别别激激发发互互相相垂垂直直的的两两个个驻驻波振动，合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹。波振动，合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹。模模模模态态态态转转转转换换换换型型型型：模模态态转转换换型型仅仅有有一一个个压压电电振振子子激激发发某某一一方方向向的的振振动动，再再通通过过一一个个机机械械转转换换振振子子同同时时诱诱发发与与其其垂垂直直的的振振动动，二二者者合合成成弹弹性性体体表表面面质质点的椭圆振动轨迹，驱动移动体运动。（如前两例）点的椭圆振动轨迹，驱动移动体运动。（如前两例）特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机纵扭复合型超声波电动机结构纵扭复合型超声波电动机结构定子由两个独立的振子所定子由两个独立的振子所组成：纵向振子控制定子与转子之间的摩擦力组成：纵向振子控制定子与转子之间的摩擦力( (正压力正压力) )；扭；扭转振子控制输出转矩。转振子控制输出转矩。由于两种复合运动可独立控制，所以其输出转矩大，工作稳定，可双向运由于两种复合运动可独立控制，所以其输出转矩大，工作稳定，可双向运动，并且为设计者提供了较大的设计空间。动，并且为设计者提供了较大的设计空间。 特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机（4 4）非接触式超声波电动机）非接触式超声波电动机 定定子子与与转转子子之之间间不不直直接接接接触触，而而是是在在它它们们之之间间填填充充一一种种介介质质：液液体体或或气气体体。当当定定子子振振动动时时，也也就就引引起起了了介介质质的的振振动动，在在介介质质与与转转子子的的接接触触面面就就形形成成了了摩摩擦擦力力，从从而而驱驱动动转转子子运运转转。非非接接触触式式超超声声波波电电动动机机是是以以牺牺牲牲转转矩矩为为代代价价的的，其驱动力都很小。其驱动力都很小。东京工业大学东京工业大学Tohgo Yamazaki等研制的圆筒型非接触式超声波电动机。其等研制的圆筒型非接触式超声波电动机。其定子由硬铝制成，定子圆筒长为定子由硬铝制成，定子圆筒长为16.5mm、内径内径56mm、外径外径61.8 mm，并由并由两个两个Langevin振子激励，形成行波。筒型转子放置在定子筒内。当定子产振子激励，形成行波。筒型转子放置在定子筒内。当定子产生行波时，转子悬浮起来并沿着行波前进方向旋转。驱动电源的频率为生行波时，转子悬浮起来并沿着行波前进方向旋转。驱动电源的频率为26kHz，电机的最高转速可达电机的最高转速可达3000 r/min。由于采用了由于采用了Langevin振子，电机振子，电机结构变得复杂，占有的空间较大，而且形状不规则，因而限制了它的应用结构变得复杂，占有的空间较大，而且形状不规则，因而限制了它的应用场合。场合。 特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机(5) (5) 多自由度超声波电动机多自由度超声波电动机 三自由度超声波电机三自由度超声波电机两自由度超声波电动机两自由度超声波电动机 电机由球形转子、两对径向定子等组成。定子是电机由球形转子、两对径向定子等组成。定子是一个短圆柱体，用等截面梁穿过定子来施加轴向一个短圆柱体，用等截面梁穿过定子来施加轴向力，使得定子与转子紧密接触。利用粘贴在定子力，使得定子与转子紧密接触。利用粘贴在定子上的压电陶瓷同时在定子上激发出两个在空间互上的压电陶瓷同时在定子上激发出两个在空间互相垂直的振动模态，两个模态合成使得定子侧表相垂直的振动模态，两个模态合成使得定子侧表面产生行波，从而通过摩擦接触驱动球形转子转面产生行波，从而通过摩擦接触驱动球形转子转动。两对径向定子置于一个平面内不同的位置，动。两对径向定子置于一个平面内不同的位置，这样电机就可得到两个自由度的运动。这样电机就可得到两个自由度的运动。 特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机超声波电动机的分类超声波电动机的分类特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节5 5 行波型超声波电动机的驱动控制行波型超声波电动机的驱动控制 行波行波行波行波USMUSM的常用控制方式的常用控制方式的常用控制方式的常用控制方式: : : :(1)(1)控制电压幅值控制电压幅值,但调速范围受到限制。电压过低,压电元件不会起振;电压过高,又会接近压电元件的工作极限。(2)(2)变频控制变频控制,通过调节谐振点附近的频率控制速度和力矩,因为电机动作点在谐振点附近,且调频具有响应快的特点。变频调速对超声电机较为合适变频调速对超声电机较为合适。(3)(3) 相位差控制相位差控制,改变两相电压的相位差,从而改变定子表面质点的椭圆运动轨迹。但低速启动困难,驱动电源设计较为复杂。特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机USM频率控制的频率控制的的驱动与控制电路框图的驱动与控制电路框图上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节USMUSM的几种控制策略的几种控制策略的几种控制策略的几种控制策略特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机6 超声波电机存在的问题及研究重点超声波电机存在的问题及研究重点USMUSM与与传传统统电电磁磁式式电电机机相相比比有有无无可可替替代代的的优优点点，但但是是它它也也存存在在一一些些问问题：题：(1)(1)(1)(1)控控控控制制制制困困困困难难难难: : : : 从从理理论论上上来来说说，目目前前超超声声波波电电机机仍仍然然没没有有一一个个准准确确的的数数学学模模型型来来对对其其振振动动过过程程和和运运动动过过程程进进行行系系统统的的描描述述。由由于于压压电电材材料料的的特特殊殊性性、摩摩擦擦发发热热和和环环境境变变化化等等问问题题，驱驱动动转转子子的的摩摩擦擦力力将将产产生生严严重重的的非非线线性性变变化化。这这种种变变化化使使控控制制电电机机匀匀速速转转动动的的难难度度大大大大增增加加。此此外外，由由于于压压电电材材料料的的特特殊殊性性，使使得得每每一一台台超超声声波波电电动动机机所所需需要要的的驱驱动动电源都不相同，这样，电机和电源必须一一配套，不利于大规模生产。电源都不相同，这样，电机和电源必须一一配套，不利于大规模生产。(2)(2)(2)(2)寿寿寿寿命命命命较较较较短短短短: : : : 超超声声波波电电机机的的寿寿命命大大约约20002000小小时时，与与传传统统电电机机相相比比，长时间工作的耐久性不尽人意。长时间工作的耐久性不尽人意。(3)(3)(3)(3)运运运运行行行行效效效效率率率率较较较较低低低低: : : : 由由于于超超声声波波电电机机的的理理论论和和计计算算方方法法及及其其结结构构设设计计方方法法还还不不成成熟熟，电电机机运运行行效效 率率较较低低，只只有有10%40%10%40%，而而传传统统的的电电磁磁电电机可达机可达80% 80% 以上。以上。 特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节目目前前还还需需要要就就超超声声波波电电动动机机的的理理论论、实实验验和和材材料料展展开开深深入入研研究究，做好以下重要课题：做好以下重要课题：(1) (1) 超超声声波波电电动动机机是是一一个个机机电电耦耦合合的的动动力力学学系系统统，超超声声波波电电动动机机理理论论研研究究的的核核心心就就是是建建立立这这个个系系统统的的机机电电耦耦合合动动力力学学模模型型。它它涉涉及及超超声声波波电电动动机机的的定定子子/ /转转子子动动力力特特性性、驱驱动动电电源源的的输输出出动动态态特特性性、控控制制系系统统动动态态特特性性以以及及三三者者结结合合在在一一起起，构构成成相相互互影响、相互耦合的统一的动力学模型。影响、相互耦合的统一的动力学模型。(2) (2) 定子定子/ /转子界面接触模型和定子转子界面接触模型和定子/ /转子摩擦学的研究。转子摩擦学的研究。(3) (3) 超超声声波波电电动动机机是是通通过过压压电电陶陶瓷瓷元元件件将将电电能能转转换换为为定定子子( (弹弹性性体体) )的的高高频频微微振振动动，并并通通过过定定子子/ /转转子子间间接接触触( (摩摩擦擦) )把把高高频频微微振振动动转转换换成成转转子子( (移移动动体体) )的的宏宏观观运运动动。能能量量转转换换和和传传递递涉涉及及到到三三种种重重要要材材料料：压压电电陶陶瓷瓷材材料料、摩摩擦擦材材料料和和胶胶粘粘剂剂。必必须须加加强强对这三种材料的研制。对这三种材料的研制。特种电机及其控制特种电机及其控制第第 6 章章 超超 声声 波波 电电 动动 机机上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节(4) (4) 从从压压电电材材料料变变形形的的角角度度而而言言，超超声声波波电电动动机机定定位位精精度度高高，可可达达nm nm 级级。但但实实际际上上由由于于材材料料、加加工工、装装配配、环环境境和和负负载载特特性性的的影影响响，超超声声波波电电动动机机是是一一个个非非线线形形、时时变变系系统统，定定位位精精度度受受到到影影响响。所所以以，必必须须采采用用智智能能控控制制策策略略对对系系统统进进行行闭闭环环控控制制，以提高超声波电动机伺服系统的精度。以提高超声波电动机伺服系统的精度。(5) (5) 在在超超声声波波电电动动机机的的理理论论研研究究和和材材料料发发展展的的基基础础上上，还还要要做做大大量量的的实实验验研研究究。其其中中包包括括超超声声波波电电动动机机性性能能试试验验、超超声声波波电电动动机机的的寿寿命命试试验验、可可靠靠性性试试验验和和环环境境( (高高、低低温温、湿湿度度和和真真空空) )试验以及有关试验设备的研制。试验以及有关试验设备的研制。(6) (6) 进进行行超超声声波波电电动动机机低低成成本本、长长寿寿命命、可可靠靠性性设设计计和和先先进进制制造技术的研究。造技术的研究。(7) (7) 发发展展新新型型超超声声波波电电动动机机技技术术。其其中中包包括括新新型型超超声声波波电电动动机机运运动动机机理理及及其其机机电电耦耦合合动动力力学学模模型型，新新的的模模态态变变换换方方法法，研研制制大大功功率率超超声声波波电电动动机机、微微型型超超声声波波电电动动机机和和非非接接触触式式超超声声波波电电动机等等。动机等等。特种电机及其控制特种电机及其控制