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1、-1-第九章第九章 超声波电动机超声波电动机*控制电机控制电机-2-超声波电动机超声波电动机（Ultrasonic Motor Ultrasonic Motor USM USM）是）是 2020世纪末发展起来的一种新的微型驱动电机，它的基本结世纪末发展起来的一种新的微型驱动电机，它的基本结构及工作原理与传统电机完全不同，没有绕组和磁路，构及工作原理与传统电机完全不同，没有绕组和磁路，不以电磁相互作用来传递能量，而是基于压电材料的不以电磁相互作用来传递能量，而是基于压电材料的逆逆压电效应压电效应（即（即电致伸缩效应电致伸缩效应），利用超声波振动来实现），利用超声波振动来实现机电能量转换。机电能量
2、转换。由于这种新型电机的工作频率一般在由于这种新型电机的工作频率一般在20kHz20kHz以上，所以称为超声波电机。以上，所以称为超声波电机。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-3-超声波电机打破了传统电机必须由电磁效应产生转超声波电机打破了传统电机必须由电磁效应产生转矩和转速的固有概念，矩和转速的固有概念，与电磁式电机相比，超声波电机与电磁式电机相比，超声波电机具有以下特点：具有以下特点：(1)(1)体积小，重量轻。体积小，重量轻。(2)(2)低速大转矩。低速大转矩。(3)(3)响应迅速，控制特性好。响应迅速，控制特性好。(4)(4)有断电自锁功能。有断电自锁功能。(5)(5)与外界无相
3、互电磁干扰。与外界无相互电磁干扰。(6)(6)结构形式多样化。结构形式多样化。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-4-第一节第一节 超声波电动机的基本结构超声波电动机的基本结构 超声波电动机的分类还没有统一的标准，按照驱动超声波电动机的分类还没有统一的标准，按照驱动转子运动的机理可分为转子运动的机理可分为驻波型驻波型和和行波型行波型两种。驻波型是两种。驻波型是利用与压电材料相连的弹性体内激发的驻波来推动转子利用与压电材料相连的弹性体内激发的驻波来推动转子运动，属间断驱动方式；行波型则是在弹性体内产生单运动，属间断驱动方式；行波型则是在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的振动轨迹来传递
4、能量，向的行波，利用行波表面质点的振动轨迹来传递能量，属连续驱动方式。属连续驱动方式。目前，环形行波型超声波电动机的基目前，环形行波型超声波电动机的基础理论和应用技术均较为成熟。础理论和应用技术均较为成熟。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-5-环形行波型超声波电动机环形行波型超声波电动机的基本结构如图的基本结构如图9-19-1所示，所示，主要包括定子、转子、压力弹簧和转轴等部件。主要包括定子、转子、压力弹簧和转轴等部件。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-6-第二节第二节 超声波电动机的工作原理超声波电动机的工作原理一、逆压电效应简介一、逆压电效应简介 压电效应压电效应 是是 在在1
5、8801880年由法国的居里兄弟首先发现年由法国的居里兄弟首先发现的。一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的的。一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面内出现机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称之为由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称之为正压电效应正压电效应。第九章第九章 超声波电动机超声波
6、电动机-7-反之，将一块晶体置于外电场中，反之，将一块晶体置于外电场中，在电场的作用在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移，这一极化位下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移，这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使移又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，称之为晶体发生形变的现象，称之为逆压电效应逆压电效应，也称为，也称为电致电致伸缩效应伸缩效应。正压电效应和逆压电效应统称为。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应压电效应。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-8-超声波电动机就是利用逆压电效应进行工作的超声波电动机就是利用逆压电效应进行工作
7、的，图，图9-29-2进一步说明了逆压电效应的作用。进一步说明了逆压电效应的作用。当外电场的交变当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振状态，成为械谐振状态，成为压电振子压电振子。当振动频率在当振动频率在20kHz20kHz以上以上时，就属于超声振动时，就属于超声振动。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-9-二、椭圆运动及其作用二、椭圆运动及其作用 超声振动是超声波电动超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱机工作的最基本条件，起驱动源的作用。但是，并不是动源的作用。但是，并不是任意超声振动都具有驱动作任意超声
8、振动都具有驱动作用，用，它必须具备一定的形它必须具备一定的形态，即态，即振动位移的轨迹是一振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向椭圆时，才具有连续的定向驱动作用驱动作用。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-10-那么，怎样才能形成椭圆运动呢？那么，怎样才能形成椭圆运动呢？设有两个空间相设有两个空间相互垂直的振动位移互垂直的振动位移u ux x和和u uy y，均是由简谐振动形成，均是由简谐振动形成，振动振动角频率角频率0 0为，振幅分别为为，振幅分别为x和和y，时间相位差为，时间相位差为，即即有有 （9-1）第九章第九章 超声波电动机超声波电动机)sin()sin(0yy0 xxtut
9、u（9-2）22y2yyxyx2x2xsincos2uuuu-11-在上式中，当在上式中，当 时，两个位移为时，两个位移为同向运动，合成轨迹为一条直线；当同向运动，合成轨迹为一条直线；当 时，其轨迹时，其轨迹为一椭圆，并且在为一椭圆，并且在 时为一规则椭圆。时为一规则椭圆。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机),2,1,0(nnn2 n-12-由此可见，相位差由此可见，相位差 的取值就决定了椭圆运动的旋的取值就决定了椭圆运动的旋转方向，当转方向，当0 时椭圆运动为顺时针方向，时椭圆运动为顺时针方向，当当0时椭时椭圆运动为逆时针方向。圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决定了由于椭圆运动
10、的旋转方向决定了定子对转子的拨动方向，所以也就决定了超声波电动机定子对转子的拨动方向，所以也就决定了超声波电动机的转子转向。的转子转向。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-13-三、行波的形成及特点三、行波的形成及特点 上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载，质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载，而而 应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋转转，也就是说这些质点需要进行，也就是说这些质点需要进行行波性质行波性质的运动。的运动。根据波动学
11、理论，两路幅值相等、频率相同、时间根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间和空间均相差和空间均相差/2/2的两相驻波叠加后，将形成一个合成的两相驻波叠加后，将形成一个合成行波。行波。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-14-如图如图9-5(a)9-5(a)所示，将极化方向相反的压电体依次粘所示，将极化方向相反的压电体依次粘贴在弹性体上，当在压电体极化方向施加交变电压时，贴在弹性体上，当在压电体极化方向施加交变电压时，压电体在长度方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振压电体在长度方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振电压频率下，弹性体上将产生如图电压频率下，弹性体上将产生如图9-5(b)9-
12、5(b)所示的驻波。所示的驻波。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-15-其数学表达式为其数学表达式为 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机txy0sin2sin（9-3）设在弹性体上同时存在两相驻波设在弹性体上同时存在两相驻波A A和和B B，它们的频率，它们的频率同为同为0 0，波幅同为，波幅同为，波长同为，波长同为，并且在时间和空间，并且在时间和空间上均相差上均相差/2/2，即，即 txytxy0B0Acos2cossin2sin（9-4）-16-其合成为其合成为 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机AB02(,)cos()y x tyyxt（9-5）这是一个频率为这是一个频率为
13、0 0、波幅为、波幅为、波长为、波长为的行波。的行波。-17-在环形行波型超声波电动机中，定子上的在环形行波型超声波电动机中，定子上的压电陶瓷压电陶瓷环是行波形成的核心，它的电极配置如图环是行波形成的核心，它的电极配置如图9-69-6所示。所示。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-18-由两个驻波叠加而形成行波，这在机理上与电机学由两个驻波叠加而形成行波，这在机理上与电机学中的旋转磁场理论有诸多相似之处。中的旋转磁场理论有诸多相似之处。由第四章由第四章“伺服电伺服电动机动机”知道，当在单相绕组中通入单相交流电流时产生知道，当在单相绕组中通入单相交流电流时产生的是脉振磁场，如果有两个匝数相同
14、、空间互差的是脉振磁场，如果有两个匝数相同、空间互差9090电角电角度的绕组，当在其中通入幅值相等、时间相位互差度的绕组，当在其中通入幅值相等、时间相位互差9090的的对称交流电流时，所产生的两个脉振磁场的合成就是一对称交流电流时，所产生的两个脉振磁场的合成就是一个圆形的旋转磁场，旋转磁场的转向取决于电流的相序。个圆形的旋转磁场，旋转磁场的转向取决于电流的相序。在这里，弹性体中的驻波与单相脉振磁场相对应，而合在这里，弹性体中的驻波与单相脉振磁场相对应，而合成行波与旋转磁场相对应。成行波与旋转磁场相对应。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-19-四、转子运动速度四、转子运动速度 下面通过分析
15、弹性体表面上任意一点的运动轨迹，下面通过分析弹性体表面上任意一点的运动轨迹，来确定转子运动的速度。来确定转子运动的速度。根据式（根据式（9-59-5），在任意时刻，弹性体表面上某点），在任意时刻，弹性体表面上某点P P的的纵向振动位移纵向振动位移为为第九章第九章 超声波电动机超声波电动机（9-6）)2cos(),(0ytxtxu设弹性体的厚度为设弹性体的厚度为h h，则，则P P点的点的横向振动位移横向振动位移为为 )2sin(),(2),(0 xtxhxtxyhtxu（9-7）-20-由以上两式，得由以上两式，得 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机（9-8）22yx22(,)(,)1(/
16、)ux tux th 由此可见，弹性体表面上任意一点的运动轨迹为椭由此可见，弹性体表面上任意一点的运动轨迹为椭圆形，这种椭圆运动使得弹性体表面质点对转子产生连圆形，这种椭圆运动使得弹性体表面质点对转子产生连续的续的定向拨动作用定向拨动作用，且转子的运动方向与行波方向相且转子的运动方向与行波方向相反，如图反，如图9-79-7所示。所示。显然，如果改变激振电源的电压极显然，如果改变激振电源的电压极性，便可以改变转子的运动方向。性，便可以改变转子的运动方向。-21-第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-22-根据式（根据式（9-79-7），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 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机（9-9）横向速度的最大值应出现在行波的波峰或波谷处，横向速度的最大值应出现在行波的波峰或波谷处，此时的表面质点没有纵向速度，且横向速度与行波方向此时的表面质点没有纵向速度，且横向速度与行波方向相反。若定、转子接触面之间没有滑动，则转子的运动相反。若定、转子接触面之间没有滑动，则转子的运动速度与波峰处质点的横向速度相等，其值为速度与波峰处质点的横向速度
