超声波电动机

微特电机课程论文

超声波电动机

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摘要：超声波电机是一个机电耦合系统，涉及到振动学、摩擦学、材料学、电力电子技术、自动控制技术和实验技术等。超声波电动机利用压电材料的逆压电特性，激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动。与传统电机相比，它具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，是一项跨学科的高新技术。近几年来超声波电动机已成为国内外在微型电机方面的研究热点。超声波电机（Ultrasonic Motor，简称USM）是20世纪80年代中期发展起来的一种全新概念的新型驱动装置 。

超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应——在交变电场作用下，陶瓷会产生伸缩的现象——直接将电能转变成机械能，这种电机的工作频率一般在20kHz以上，故称为压电超声波电机。

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。 关键字：超声波电机、逆压电效应、机械振动、高新技术。

0引言

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。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。前苏联学者V. V. Lavrinenko 于1964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。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。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。

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。

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。

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1 超声波电机工作原理

超声学科结合的新技术。超声电机不像传统的电机那样，利用电磁的交叉力来获得其运动和力矩。超声电机则是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。二、超声波电动机的分类。

2超声波电机的特点

（1）超声电机可以得到较低转速，因此输出力矩较大，可以省去减速机构直接带动负载。 （2）因为超声电机不使用电磁场作为驱动力，因此电磁辐射小。许多情况下，不希望有电机产生强电磁干扰，或者在强磁场环境中，电磁电机的正常工作会受到影响，而超声电机不需要做太多的电磁屏蔽处理就可以在这些条件下工作。

（3）超声电机依靠定、转子之间的接触摩擦作为驱动方式，关闭电源后转子就会马上停止，并在摩擦力的作用下固定不动

（4）超声电机的响应时间较短，一般在十几毫秒以内。

（5）超声电机没有电磁线圈，可以不用铜材，节省原料造价。 （6）超声电机的转速可以通过改变驱动频率进行调节，比较灵活。 （7）超声电机在很小尺寸上都可以有效工作。

3超声波电机的分类

3.1.1环状或盘式行波型超声波电动机

图3-1

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—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。

3.1.2 直线式行波型超声波电动机

（1）双Langevin振子型：利用两个Langevin压电换能器，分别作为激振器和吸振器，当吸振器能很好地吸收激振器端传来的振动波时，有限长直梁似乎变成了—根半无限长梁，这时，在直梁中形成单向行波，驱动滑块作直线运动。当互换激振器与吸振器的位置时，形成反向行波，实现反向运动。

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图3-2

（2）单轨型直线超声波电动机：把金属两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动体(滑块)。压电陶瓷片粘在导轨的背面，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，以此驱动压紧在导轨上的滑块做直线运动。

图3-3

3.1.3 驻波型超声波电动机

Sashida研制的楔形驻波型超声波电动机由Langevin振子、振子前端的楔形振动片和转子三部分组成。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斜接触(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，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，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；转子转速较难控制，仅能单方向旋转。

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图3-4

日立Maxell公司的改进型驻波超声波电动机，采用机械扭转连接器取代了楔形振动片，借助扭转连接器将压电振子产生的纵向振动诱发出扭转振动，两种振动在扭转连接器前端合成质点椭圆运动轨迹，驱动转子旋转。这种电机转速达到120r/min，输出转矩1.3N ?m，能量转换效率为80％，超过传统电磁型电机。

图3-5

驻波超声波电动机是利用在弹性体内激发的驻波来驱动移动体移动。但是，单一的驻波并不能传递能量，因为弹性体表面质点作同相振动。因此，驻波型超声波电动机通过激发并合成相互垂直的两个驻波，使得弹性体表面质点作椭圆振动，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,驻波超声波电动机分为： （1）纵扭振动复合型:采用两个独立的压电振子分别激发互相垂直的两个驻波振动，合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹。

（2）模态转换型：模态转换型仅有一个压电振子激发某一方向的振动，再通过一个机械转换振子同时诱发与其垂直的振动，二者合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹，驱动移动体运动。

3.1.4 非接触式超声波电动机

定子与转子之间不直接接触，而是在它们之间填充一种介质：液体或气体。当定子振动

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时，也就引起了介质的振动，在介质与转子的接触面就形成了摩擦力，从而驱动转子运转。非接触式超声波电动机是以牺牲转矩为代价的，其驱动力都很小。

图3-6

3.1.5多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，这样电机就可得到两个自由度的运动。

4 超声波电机的基本原理

超声波电机就是利用超声波频率范围内的机械振动来获得动力源的装置，借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力。超声波电机获得能量的超声波振动源又与压电陶瓷有着密切联系，当对压电陶瓷施加交变电压时，压电陶瓷本身或压电陶瓷和金属的混合体就会产生周期性地伸缩，即逆压电效应，通过这种伸缩，电机产生了动力。

与传统的电机不同，超声波电机无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。一般由振动体(相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成)和移动体(相当于传统电机中的转子，由弹性体和摩擦材料及塑料等制成)组成。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使定子在超声频段(频率为20KHZ以上)产生微观机械振动。并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动。

实现超声波驱动有两个前提条件：首先，需在定子表面激励出稳态的质点椭圆运动轨迹；其次，将定子表面质点水平方向的微观运动转换成转子的宏观运动或平动。第一个前提条件对应着机电能量转换，利用逆压电效应由电能转化成机械振动能：第二个前提条件对应着运动形式转化，往往通过定转子间的摩擦力来实现，近年来亦有通过气体或液体为中间介质接触为非接触型超声波电机，也称为声悬浮超声波电机。从超声电机的工作原理可见，其正常工作离不开两个能量转换作用：机电转换作用和摩擦转换作用。机电转换作用是指压电陶瓷的逆压电效应，即对压电陶瓷振子加高频振荡电流，使它以超声波的频率振动。摩擦转换作用是指弹性体(定子与压电陶瓷的合称)的振动经过定子与转子工作面间的摩擦作用转化成转子的直线运动或旋转运动。要保证大力矩输出、止动性好，必须满足的条件就是有效足够的机电转换作用和有效稳定的摩擦转换作用。

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此外，人耳所能听到的的声音频率约为20Hz-20KHZ，而当频率超过20KHz以上，人耳便无法辨识，成为超声波。对超声波电机的压电材料输入电压所产生的是晶体的形变，因此利用压电材料来带动转子，其前进的距离相当小，约是微米等级，因此若要此电机做长距离运动，就必须输入超声波的高频电压，使定子产生极高的振动频率才能得到合适的转速，这也正是超声波电机的由来。

5超声波电机的驱动

下图为DSP控制的超声波电机驱动原理框图，DSP作为整个系统的控制单元，通过DSP产生满足超声波电机谐振频率的高频的方波信号，经过前级驱动电路来控制MOSFET的开关，由此产生两路高频的方波来驱动超声波电机。

图5-1

驱动器固定二相输入电压为超声波的额定电压，二相高频交流输出电压的时间相移取士90`，由此实现电机的正、反转控制。

图5-2

通过实验测得，左图所示是两相相位相差90度高频的方波信号波形，此信号用来作为驱动信号来驱动行波型超声波电机。右图所示是加上电机后，输出的电压波形，两路平滑的、相位位移相差90°的正弦波信号。

而转速和两相驱动电压相位差曲线如下图所示，此时电机为带负载运行状态。通过改变两相驱动电压相位差可达到调速的目的。

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图5-3

6超声波电机应用领域

超声波电动机的应用主要体现在微观领域、要求无电磁干扰的环境中等一些场合。其应用领域可概括如下： (1) 航空航天领域

航空航天器往往处在高真空、极端温度、强辐射、无法有效润滑等恶劣条件中，且对系统重量要求严苛，超声马达是其中驱动器的最佳选择。 (2) 精密仪器仪表

电磁马达用齿轮箱减速来增大力矩，由于存在齿轮间隙和回程误差，难以达到很高定位精度，而超声马达可直接实现驱动，且响应快、控制特性好，可用于精密仪器仪表。 (3) 机器人的关节驱动

用超声电动机作为机器人的关节驱动器，可将关节的固定部分和运动部分分别与超声马达的定、转子作为一体，使整个机构非常紧凑。日本开发出球型超声电动机，为多自由度机器人的驱动解决了诸多的难题。 (4) 微型机械技术中的微驱动器

微型电机作为微型机械的核心，是微型机械发展水平的重要标志。微电子机械系统(micro electronic mechanical systems，缩写MEMS)的制造研发中，其电机多是毫米级的。医疗领域是微机械技术运用最具代表性的领域之一，超声电机在手术机器人和外科手术器械上已得到应用。

(5) 电磁干扰很强或不允许产生电磁干扰的场合

在核磁共振环境下和磁悬浮列车运行的条件下，电磁电机不能正常工作，超声马达却能胜任。

7超声波电机的发展趋势

第一，新型摩擦材料和压电材料的研制，以提高超声波电机对环境的适应性。由于超声波电机是依靠摩擦耦合来输出能量，接触面的磨损和疲劳是不可避免的，这极大的制约了超声波电机的推广应用。

目前，超声波电机主要应用在不需要连续工作的场合，比如照相机的聚焦系统，其累计寿命只需要十多个小时；汽车门窗开关和座椅头靠调整装置，累计工作时间需要伍百小时。

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但在许多应用场合中，这样的工作寿命满足不了实际的需要，因此研究新型摩擦材料和压电材料显得尤为重要。为此，世界各国都在研制性能更优越的摩擦材料，以提高超声波电机的使用寿命。

第二，微型化和集成化。超声波电机不同于传统的磁式电机，它没有线圈，结构简单，易于加工。其转矩/体积比大，在结构尺寸缩小时基本能保持效率不变，能量密度较其它微特电机高，非常适合作为微型机电系统中的动力源，因而微型化和集成化是超声波电机的重要发展方向。

第三，超声波电机与生物医学工程相结合，现代生物医学工程的发展使超声波电机在这一领域的应用前景光明。由于生物医学工程中要对细胞进行加工、传递、分离和融合，以及对细胞内物质的转移、重组、拉伸、固定等操作，而尺寸只有几个微米的细胞，关键技术是接近细胞时的精细微调，要求分辨率为几十纳米。要完成以上操作，需要有很高定位精度和精细操作能力的驱动装置。

8 总结

超声波电机以其独特的优点，如结构简单、体积小、响应速度快、低速大转矩、定位精度高、无电磁干扰等，在微型机器人、汽车工程、航空航天、精密定位仪、光学仪器、生物工程、医学工程等领域都具有广阔的应用前景。

而随着科技的不断发展，超声波电机的研究也在逐步走向完善，到了八十年代末期，欧美等先进国家都加入到超声波电机的研究之中，有关超声波电机的研究不断取得新进展。

目前，超声波电机的研究重点是提高电机性能的深层次研究，以争取在超声波电机的研究方向上获得根本性的突破。

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