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各类超声电机的工作原理的介绍 K . 要 超声压电电机问世已经超过 30年。特别在近年，许多旋转和直线运动的设计已经发展起来了。本文主要介绍超声电机的定义和各类超声电机的工作原理。针对于市场上的各类超声电机解析其工作原理及其利弊。本文主要让大家熟悉目前超声电机的发展背景。 关键字： 压电电机； 声电机；行波；驻波；压电振子 引言 现在有许多利用逆压电效应产生运动的 设计理念。超声电机正是逆压电效应应用一类典型实例。 这些电动机具有低速大转矩，定位精度高的特性。正因为它具有的这些特性，使许多公司对于它的研究具有非常溶厚的兴趣。 压电电机 压电振子是电能与机械能的转换器；他们应用逆压电效应把电能转换为动能。简单的压电振子振幅非常小，主要受到压电材料的变形限制。 压电电机是机械电驱动系统，并将这种振动通过摩擦耦合来直接驱动转子或滑块的旋转 。 压电电机的研究大概始于 1942年。在那年，美国学者 . 机模型，并且在 1948年从美国专利局获得第一个专利。 他们的发明是利用压电现象把一个多阶段的电信号转变成机械运动的过程。他们使用压电振子产生弯曲振动从而在振动体端部质点形成椭圆旋转运动。 图 1 . 1. 从那以后，压电电机领域有了很大的发展。人们根据它们的工作原理或者振动类型来进行分类。图 2显示的是从一种实用的观点中选择的基于这些可能性的分类。 我们首先做出非谐振驱动电机和我们集中关注的谐振驱动超声波电机之间的区别。 图 2 为压电电机的分类 图 7所示的 根小的金属轴与压电振动器想连接 ，运动部分紧贴在其上。当压电片随着较低的加速/减速进行扩张和收缩时，运动部件在摩擦力的作用下运动。而在较高的加速 /减速状态时，运动部件因为惯性而发生滑动。 来自 0多年前发明的压电电机具有相同的工作原理。这种压电电机通过装在压板上的压电片直接引起轴的旋转运动 。 图 7 6 图 8 来自 7 超声电机 超声电机是一种通过压电振动器的逆压电效应把电能转化为具有超声频域内的机械振动，从 而使运动部件利用摩擦耦合获得连续运动。使用较低的驱动电压能够增加振动器的振幅。超声电机的工作频率在 20 0动器的振幅在 20到 200纳米的范围内。 在超声电机里，振动器的高频是通过激励不同的振动方式（声音的波）而获得。根据设计要求确定振动器的型号。摩擦材料对于超声波电机的设计也很重要。谐振器不同的谐振模态，方式和摩擦接触的设计导致超声波电机的结构设计会有差异。 超声电机可分成驻波电机和行波电机两类。 在行波电机中，多个驻波的叠加就构成一个行波。活动面上的点在规定的轨道上作椭圆 运动。这类行波只能以统一体存在。圆形的谐振器就是行波的连接统一体。行波类压电电机通常以环形和圆盘式设计为主。行波压电电机最著名的设计是圆盘式和环行。 驻波电机的工作原理是脉冲理论。转子的运动可通过一系列的微小脉冲来表示。一个微小的脉冲就代表转子上相对应的点的运动。驻波电机能进一步分成单模态和双模态电机。 另外，超声波电机可分成单向和双向电机。 在 1965年， V. V. 8。这种超声电机是圆盘式压电片挤压光滑的转子组成。在此之前，作为苏维埃社会主义共和国联盟， 乌克兰基辅理工学院的候选人，在对有压电转换器的研究中，他已经对压电水晶的旋转进行过观察研究。他在先前的观察研究的基础上发明了第一台超声电机，并在 1965年获得苏联电动机的专利 8。 图 9 V. V. 8 单向电动机 那项发明 8标志着在苏维埃社会主义共和国联盟的超声波电机领域里系统调查和基础研究的开始。在基辅理工学院的科研小组开始阐述基本原理和设计参数，在当时来说完全是一种新型的电机械能转换装置：超声电机 ， 对这台电动机的进一步研究证实了超声电机的基本设 计原理的正确性，并在 1975年获得了美国压电机结构的专利 9及其相近的附加专利 10。 图 10所示是一台带有环状压电振荡器的超声电机，这个环状压电片受到纵向的 激励。振荡器的前沿通过弹簧挤压转子，转子通过一系列的微运动进行运动。 在 70年代，超声波电机的发展也包括单向的片型电动机。单一片状超声波电机有环状和圆柱状振动模式。金属薄片紧贴在振荡器上，把谐振器的振子转换为转子的旋转运动。薄片产生弯曲的波通过谐振器激励薄片产生椭圆运动。 图 11 有附上薄片的振动器 1974年 11 图 12展示的是 1982年松下公司 生产的一台 “52象机 11。 图 10超声波电机的一种最简单的设计， 1975年 图 12 1982年生产的 “52相头就是应用超声波电机驱动摄相头的例子 双向电机 很多旋转设置只能朝一个方向作线的运动，双向运动就应运而生了。这种双向运动可通过两个独立的振动器激励相位差来获得或者通过一个独立的振动器产生交叉的两个波获得。线性超声电机是一种很少出差错的驻波电机。利用振荡器激励驻波从而产 生运动。激荡器由几个混合的振荡器组成，也可是一个独立的振荡器 。像前面提到的那样，引起滑板椭圆运动的是超声电机产生的非平行的几个波的叠加。最简单的或许是一台单独控制的振荡器。 如图 13所示是 1980年一款最简单的设计。两过振荡器通过一个薄片产生的椭圆运动带动滑板运动 12。 13, 14, 15。 图 14 使用了圆筒式的压电电机 如图所示，圆盘式的压电片挤压在金属汽缸的表面。在汽缸里，通过相位差来激励金属片的像呼啦圈一样的摇摆运动。这种设计具有结构小和生产成本低的特点。 来自新规模技术股份有限公司的特色电机就是利用这个原理。 有 圆筒形定子的超声波电机 压电的圆筒型转子的一个变量使用一种交换方式和真实的长度方式。两种方式的重叠这根管的末端上的点进行椭圆的轨道运动。这运动能用来推挤末端表面的一个转子转动。 图 22为电机上的不同变量的振动器 25. 图 22 为超声波电机圆筒状的转子， 1980 图 23显示的是一台基于弯曲波激励产生的旋转驻波的超声电机 26。 超声电机的转子是由压电环和固定的金属振动器以及推进器组成。 决定运动方向是特性弯曲波的激励。推进机向前作倾斜的线的运动，因此驱动挤压在推进器上的转子运动。这种超声波电机 被 图 24是 I)用圆柱体的振动器设计开发的单向旋转电机 27，该电机利用切线轴向的振动方式 。 图片也显示了计算机模拟的电动机的工作原理。 图 23 (a) 电动机结构 (b) 电极和磨擦位子 (c) 驻波和转子方向 图 24 来自 I)的使用切线轴向驻波圆筒形振动器的单向电机的设计和工作原理 行波电机 在 1982年 T. 28。 在这台电动机里， 在摩擦表面上的点的椭圆运动是由两个驻波合成一个行波引起的。图 25是 图 26所示是用合成振动器的超声波电机 29,30电的磁盘励磁机压在金属谐振器之间。 电动机使用弯曲方式。 图 25 来自 983年的行波超声电机的图片和它的工作原理 图 26 有合成振动器的电动机变量 图 27表明了来自 计的应用圆筒状的压电块产生 纵向行波的 3个相位的电机及其工作原理 31。 图 27使用纵向行波设计的电动机， 1995 这些电动机的振动器由 3个纵向的驻波叠加组成一个纵向的行波来激励。图 28来自 I)的使用纵向行波设计的 3个相位的电动机。 图 28 I)的微型行波电机 结论 超声电机续他们之后已经有一段历史。 很多不同类型的电机和工作原理已经发展起来，也将不断改进，并且取得专利权。这里阐述的基本原理是一种不完全的表达。他们有一个共同的基本原理：通过一些方式 激励压电材料来获得点的运动。运动的幅度比较小，但是运动的频率较高，移动部分最多能达到 1m/ 超声电机在一些特殊的场合的使用远远胜过传统的电磁电动机的特性 (例如没有磁场产生 ， 低速大
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