第八章 超声波电机

1、第第8章章 超声波电机超声波电机 8.1 概述概述 8.2 超声波电机的运动形成机理超声波电机的运动形成机理 8.3 环形行波型超声波电机环形行波型超声波电机 8.4 行波型超声波电机的驱动与控制行波型超声波电机的驱动与控制 8.5 其他类型的超声波电机其他类型的超声波电机 8.6 超声波电机的应用超声波电机的应用 超声波电机是利用压电材料超声波电机是利用压电材料(压电陶瓷压电陶瓷)的逆压电效应，把电能转换的逆压电效应，把电能转换 为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式转换为运动体的回转为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式转换为运动体的回转 或直线运动或直线运动的的新型驱动电机。电机驱动

2、电源的频率一般高于新型驱动电机。电机驱动电源的频率一般高于20kHz， 已超出入耳所能采集到的声波范围，因此称为已超出入耳所能采集到的声波范围，因此称为超声波电机超声波电机。 1. 超声波电机的特点超声波电机的特点 （1）低速大转矩。（）低速大转矩。（2）无电磁噪声，电磁兼容性好。（）无电磁噪声，电磁兼容性好。（3）响应）响应 快、控制特性好。（快、控制特性好。（4）断电自锁。（）断电自锁。（5）运行噪声小。（）运行噪声小。（6）结构）结构 形式多样。形式多样。（7）摩擦损耗大，效率低。（）摩擦损耗大，效率低。（8）寿命短。）寿命短。 超声波电机是典型的机电一体化产品超声波电机是典型的机电一体

3、化产品。虽然仅有三十多年的发明和虽然仅有三十多年的发明和 发展历史，发展历史，已已在航空航天、机器人、精密仪器、医疗设备等诸多领在航空航天、机器人、精密仪器、医疗设备等诸多领 域已得到了很好的应用域已得到了很好的应用。目前仍是国内外开发研究的热点。目前仍是国内外开发研究的热点。 2. 超声波电机的分类超声波电机的分类 按波的传播方式分类按波的传播方式分类：行波型超声波电机行波型超声波电机； 驻波型超声波电机。驻波型超声波电机。 按转子的运动形式分按转子的运动形式分：旋转型超声波电机旋转型超声波电机； 直线型超声波电机。直线型超声波电机。 按转子运动自由度分按转子运动自由度分：单自由度超声波电机

4、单自由度超声波电机； 多自由度超声波电机。多自由度超声波电机。 按按定转子定转子接触情况接触情况分：分：接触式超声波电机接触式超声波电机； 非接触式超声波电机非接触式超声波电机。 本章主要对本章主要对旋转行波型超声波电机旋转行波型超声波电机进行进行分析分析。 8.2 超声波电机的运动形成机理超声波电机的运动形成机理 8.2.1 压电效应简介压电效应简介 8.2.2 椭圆运动及其作用椭圆运动及其作用 8.2.1压电效应简介压电效应简介 压电效应是由法国的居里兄弟在压电效应是由法国的居里兄弟在1880年首先发现的。年首先发现的。 正压电效应正压电效应：对于晶体构造中不存在对称中心的异极晶体，对于晶

5、体构造中不存在对称中心的异极晶体， 加在晶体上的应力，除了产生相应的应变以外，还在晶体加在晶体上的应力，除了产生相应的应变以外，还在晶体 中诱发出介质极化或电场。中诱发出介质极化或电场。 逆压电效应逆压电效应：若在晶体上施加电场，从而使该晶体产生电若在晶体上施加电场，从而使该晶体产生电 极化，则晶体也将同时出现应变和应力极化，则晶体也将同时出现应变和应力。 正压电效应和逆压电效应正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。统称为压电效应。 超声波电机就是利用逆压电效应进行工作的。超声波电机就是利用逆压电效应进行工作的。 8.2 超声波电机的运动形成机理超声波电机的运动形成机理 在图在图8-1中，压电

6、材料的极化方向如空心箭头所示，当压电材料中，压电材料的极化方向如空心箭头所示，当压电材料 的上下表面施加正向电压，即在材料表面形成上正下负的电场，的上下表面施加正向电压，即在材料表面形成上正下负的电场， 则压电材料在长度方面伸张、厚度方面收缩。反之，若在该压电则压电材料在长度方面伸张、厚度方面收缩。反之，若在该压电 材料上下表面施加反向电场，则会在长度方向收缩、厚度方向伸材料上下表面施加反向电场，则会在长度方向收缩、厚度方向伸 张。张。 图图8-1 逆压电效应示意图逆压电效应示意图 当在压电体表面施加交变电场时，压电当在压电体表面施加交变电场时，压电 体中就会激发出某种模态的弹性振动。体中就会

7、激发出某种模态的弹性振动。 当外加电场的交变频率与压电体的机械当外加电场的交变频率与压电体的机械 谐振频率相同时，压电体就进入谐振频率相同时，压电体就进入谐振状谐振状 态态，称为，称为压电振子压电振子。当振动频率高于。当振动频率高于 20kHz时，就属于时，就属于超声振动超声振动。 8.2.2椭圆运动及其作用椭圆运动及其作用 超声波电机的工作原理：超声波电机的工作原理：以图以图8-2所示的所示的 情况为例，设定子在静止状态下与转子情况为例，设定子在静止状态下与转子 表面有一微小间隙。当定子产生超声振表面有一微小间隙。当定子产生超声振 动时，其上的接触摩擦点动时，其上的接触摩擦点A做周期运动，做

8、周期运动， 其轨迹为一椭圆。其轨迹为一椭圆。当当A点运动到椭圆的上点运动到椭圆的上 半圆时，将与转子表面接触，并通过摩半圆时，将与转子表面接触，并通过摩 擦作用拨动转子旋转；当擦作用拨动转子旋转；当A点运动到椭圆点运动到椭圆 的下半周时，将与转子表面脱离，并反的下半周时，将与转子表面脱离，并反 向回程。向回程。如果这种椭圆运动连续不断的如果这种椭圆运动连续不断的 进行下去，则对转子就具有连续定向的进行下去，则对转子就具有连续定向的 拨动，从而使转子连续不断的旋转。拨动，从而使转子连续不断的旋转。 图图8-2 质点运动的轨迹质点运动的轨迹 电机的转向是由椭圆电机的转向是由椭圆 运动的转向决定的。

9、运动的转向决定的。 椭圆运动的形成：椭圆运动的形成：在空间有两个相互垂直的振动位移在空间有两个相互垂直的振动位移 和和 ，均均 由简谐运动形成，振动的角频率为由简谐运动形成，振动的角频率为 ，时间相位差为时间相位差为 ，振幅分振幅分 别为别为 和和 ，即有，即有 x u y u x y )sin( )sin( yy xx tu tu （8-1） 从式（从式（8-1）中消去时间）中消去时间 t ，则，则 2 2 y 2 y yx yx 2 x 2 x sincos 2 uuu u （8-2） )210(，nn时，两个位移为同相运动，合成轨迹为一直线；时，两个位移为同相运动，合成轨迹为一直线； 时

10、，其轨迹为一椭圆时，其轨迹为一椭圆； n 2 n 时，轨迹为规则椭圆。时，轨迹为规则椭圆。 8.2.2椭圆运动及其作用椭圆运动及其作用 8.2.2椭圆运动及其作用椭圆运动及其作用 图图8-3 椭圆的形态椭圆的形态 椭圆运动椭圆运动 转速：转速： 为振动的角为振动的角 频率频率 转向：转向： 由振动的相由振动的相 角超前相转角超前相转 向滞后相向滞后相 椭圆度：椭圆度： 由振动振幅由振动振幅 的差值确定的差值确定 8.3 环形行波型超声波电机环形行波型超声波电机 8.3.1 电机的结构电机的结构 8.3.2 电机的工作原理电机的工作原理 8.3.3转子的运动速度转子的运动速度 8.3.4 电机的

11、运行特性电机的运行特性 8.3.1 电机的结构电机的结构 环形行波型超声波电机环形行波型超声波电机，由定子和转子两大部分组成。以振动体由定子和转子两大部分组成。以振动体 为主体的定子上开有为主体的定子上开有齿槽齿槽，在定子不开槽的一面粘贴有，在定子不开槽的一面粘贴有压电陶瓷压电陶瓷； 转子为一圆环；在定、转子接触的表面有一层特殊的转子为一圆环；在定、转子接触的表面有一层特殊的摩擦材料摩擦材料， 如图如图8-4所示。所示。 图图8-4 环形超声波电机的定子和转子环形超声波电机的定子和转子图图8-5 环形超声波电机转配图环形超声波电机转配图 8.3.1 电机的结构电机的结构 图图8-6 压电陶瓷电

12、极布置图压电陶瓷电极布置图 a）正面）正面 b）反面）反面 图中的阴影区域为未敷银或对图中的阴影区域为未敷银或对 应部分的敷银层已经被磨去的应部分的敷银层已经被磨去的 小分区，它把压电陶瓷的上下小分区，它把压电陶瓷的上下 极板分隔成不同的区域。图极板分隔成不同的区域。图8-6 a）中相邻两个压电分区的极）中相邻两个压电分区的极 化方向相反，分别以化方向相反，分别以“+”和和 “- -”表示，在电压激励下一段表示，在电压激励下一段 收缩，另一段伸长，构成一个收缩，另一段伸长，构成一个 波长的弹性波。波长的弹性波。 极化分区可组成三个电极，其中极化分区可组成三个电极，其中A区区和和B区区表示驱动环

13、形超声波电机的表示驱动环形超声波电机的 两相电极，它们利用压电陶瓷的逆压电效应产生振动；而两相电极，它们利用压电陶瓷的逆压电效应产生振动；而s区区是传感器是传感器 区，它利用压电陶瓷的正压电效应产生反馈电压，该电压可实时反映区，它利用压电陶瓷的正压电效应产生反馈电压，该电压可实时反映 定子的振动情况，其反馈信号可用于控制驱动电源的输出频率。定子的振动情况，其反馈信号可用于控制驱动电源的输出频率。 压电陶瓷环的周长为行压电陶瓷环的周长为行 波波长的波波长的n倍，图中倍，图中n=9 8.3.2 电机的工作原理电机的工作原理 1. 定子行波的产生定子行波的产生 由于压电陶瓷相邻分区由于压电陶瓷相邻分

14、区 的极化方向相反，在共的极化方向相反，在共 振频率的交流电压激励振频率的交流电压激励 下，相邻极化区将会分下，相邻极化区将会分 别伸张和收缩，从而在别伸张和收缩，从而在 定子弹性体中激励出弯定子弹性体中激励出弯 曲振动曲振动。图图8-7 定子行波的产生定子行波的产生 a）定子弯曲振动激励）定子弯曲振动激励 b）驻波合成行波机理）驻波合成行波机理 8.3.2 电机的工作原理电机的工作原理 设设A区和区和B区的驻波振动分别为区的驻波振动分别为 tkxwcoscos AA )cos()cos( BB tkxw （8-3） （8-4） 两列驻波叠加可得两列驻波叠加可得 )cos()cos(cosco

15、s BABA tkxtkxwww （8-5） 0BA 2 2 、 若若 ， ， ，则，则 )cos( 0 tkxw（8-6） 沿沿 x 正正向行进的行波。向行进的行波。如何得到反向行波？如何得到反向行波？ )cos( 0 tkxw 8.3.2 电机的工作原理电机的工作原理 2. 定子表面质点的运动轨迹定子表面质点的运动轨迹 在定子的在定子的A区和区和B区施加对称激励电压时，在定子圆环表面的圆周上形区施加对称激励电压时，在定子圆环表面的圆周上形 成行波，如图成行波，如图8-8所示。所示。 图图8-8 定子振动机理定子振动机理 2 0 h h 设弹性体的厚度为设弹性体的厚度为h，取，取 。 若弹性

16、体表面任一点若弹性体表面任一点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P0，则从，则从P0到到P在在 z方向的位移为方向的位移为 ，取 0(1 cos ) wh 0 cos()kxt （8-8） 从从P0到到P在在x方向的位移为方向的位移为 )sin(sin 00000 tkxkh x hhh （8-10） 8.3.2 电机的工作原理电机的工作原理 弹性体表面任一质点弹性体表面任一质点P的运动方程的运动方程 1 )( 2 00 2 2 0 2 kh （8-11） 该该式表明，式表明，弹性体表面任意一点弹性体表面任意一点P按照椭圆轨迹运动，这种运动按照椭圆轨迹运动，这种运动 使弹性体

17、表面质点对移动体产生一种驱动力，且移动体的运动方使弹性体表面质点对移动体产生一种驱动力，且移动体的运动方 向与行波方向相反向与行波方向相反。 如果把弹性体制成环形结构，当弹性体受到压电陶瓷振动激励产如果把弹性体制成环形结构，当弹性体受到压电陶瓷振动激励产 生逆时针转向的弯曲行波时，它表面的质点呈现顺时针方向的椭生逆时针转向的弯曲行波时，它表面的质点呈现顺时针方向的椭 圆旋转运动。当把转子压紧在弹性体表面时，在摩擦力的作用下，圆旋转运动。当把转子压紧在弹性体表面时，在摩擦力的作用下， 转子就会转动起来。转子就会转动起来。定子表面开槽，是为了加大定子接触部位的定子表面开槽，是为了加大定子接触部位的

18、 振动速度，提高超声波电机的转换效率，改善电机的性能。振动速度，提高超声波电机的转换效率，改善电机的性能。 8.3.3转子的运动速度转子的运动速度 由式（由式（8-10）可知，在弹性体表面质点沿）可知，在弹性体表面质点沿x方向的运动速度为方向的运动速度为 )cos( 00 x tkxkh t v （8-12） 质点的运动速度是时间和空间的函数。质点的运动速度是时间和空间的函数。在椭圆的最高点在椭圆的最高点 ， z 轴方向的位移最大，轴方向的位移最大，x 方向的位移等于方向的位移等于0。x方向的最大速度为方向的最大速度为 =0kxt（） 0 0 xmax khv（8-13） “- -”表示弹性体

19、表面质点运动方向与行波行进方向相反。表示弹性体表面质点运动方向与行波行进方向相反。 若定、转子之间没有滑动，且转子表面与定子振动波形相切，则转子若定、转子之间没有滑动，且转子表面与定子振动波形相切，则转子 速度就等于椭圆最高点的运动速度。速度就等于椭圆最高点的运动速度。 实际上，实际上，定子与转子表面的滑动总是存在的，因此电机转子的实际速定子与转子表面的滑动总是存在的，因此电机转子的实际速 度总是小于度总是小于最大速度。最大速度。 8.3.4 电机的运行特性电机的运行特性 机械特性：机械特性：超声波电机的机械特性超声波电机的机械特性 与直流电动机类似，但电机的转速与直流电动机类似，但电机的转速

20、 随着转矩的增大下降更快，并且呈随着转矩的增大下降更快，并且呈 现明显的非线性现明显的非线性。 效率特性：效率特性：超声波电机的最大效率超声波电机的最大效率 出现在低速、大转矩区域，因此适出现在低速、大转矩区域，因此适 合低速运行。目前环形行波型超声合低速运行。目前环形行波型超声 波电机的效率一般不超过波电机的效率一般不超过45%。 图图8-9 典型的运行特性典型的运行特性 超声波电机的超声波电机的运行特性运行特性主要是主要是指转速、效率、输出功率等与输出转指转速、效率、输出功率等与输出转 矩之间的关系。矩之间的关系。这些特性与电机的类型、控制方式等有关。这些特性与电机的类型、控制方式等有关。

21、 8.4 行波型超声波电机的驱动与控制行波型超声波电机的驱动与控制 8.4.1 速度控制方法速度控制方法 8.4.2 驱动控制电路驱动控制电路 8.4.1 速度控制方法速度控制方法 转子运动速度的最大值为转子运动速度的最大值为 xmax00 vkh 0BA 2 2 、 条件：条件： 仅有激励电压不对称时仅有激励电压不对称时，最大速度为，最大速度为 )(coscos sin 22 B 22 A BA0 maxx tt kh v （8-14） 调速方法：调速方法：改变激励电源的角频率、电压幅值（对应于驻波振幅）改变激励电源的角频率、电压幅值（对应于驻波振幅） 和两相电源的相位差均可改变转子的运动速

22、度。和两相电源的相位差均可改变转子的运动速度。 1. 电压控制电压控制 改变电压幅值可以改变行波的振幅改变电压幅值可以改变行波的振幅，从而改变转子速度，但，从而改变转子速度，但实际实际中中 很少采用。很少采用。因为电压过低，压电元件有可能不起振因为电压过低，压电元件有可能不起振；电压过高又会电压过高又会 提高提高元件的元件的耐压要求，增加成本。耐压要求，增加成本。 8.4.1 速度控制方法速度控制方法 2. 频率控制频率控制 调节谐振点附近的频率可以调节电机的速度，频率控制对超声波电调节谐振点附近的频率可以调节电机的速度，频率控制对超声波电 动机最为合适。由于电机工作点在谐振点附近，因此调频具

23、有响应动机最为合适。由于电机工作点在谐振点附近，因此调频具有响应 快的特点。另外，由于工作时谐振频率的漂移，要求有快的特点。另外，由于工作时谐振频率的漂移，要求有自动跟踪频自动跟踪频 率变化的反馈回路率变化的反馈回路。 3. 相位控制相位控制 改变两相电压的相位差，可以改变定子表面质点的椭圆运动轨迹，改变两相电压的相位差，可以改变定子表面质点的椭圆运动轨迹， 从而改变电机的转速。这种控制方法的缺点是低速起动困难，驱动从而改变电机的转速。这种控制方法的缺点是低速起动困难，驱动 电源设计较复杂。电源设计较复杂。 在以上在以上3种控制方式中，频率控制响应快、易于实现低速起动，应种控制方式中，频率控制

24、响应快、易于实现低速起动，应 用得最多。用得最多。 8.4.2 驱动控制电路驱动控制电路 驱动控制电路的功能驱动控制电路的功能是为超声波电机提供具有一定电压幅值是为超声波电机提供具有一定电压幅值，相位相位 差为差为 的高频激励电压。电路框图的高频激励电压。电路框图如图如图8-10所示所示，它由，它由信号发生电信号发生电 路路、移相电路移相电路、功率放大电路功率放大电路、频率自动跟踪电路频率自动跟踪电路等组成。等组成。 2 图图8-10 驱动控制电路框图驱动控制电路框图 8.4.2 驱动控制电路驱动控制电路 高频高频信号发生信号发生器：器：是驱动电路的核心，用来产生超声频率的信号。是驱动电路的核

25、心，用来产生超声频率的信号。 产生产生的的方法方法有：有：谐振电路、计算机控制的定时计数器、压控振荡电谐振电路、计算机控制的定时计数器、压控振荡电 路等。压控振荡器产生超声频率的信号，具有频率调节范围宽、分路等。压控振荡器产生超声频率的信号，具有频率调节范围宽、分 辨率高等优点，而且压控振荡器的频率由输入电压控制，因此可以辨率高等优点，而且压控振荡器的频率由输入电压控制，因此可以 不用不用A/D变换和计算机就可以实现闭环控制，比较常用。变换和计算机就可以实现闭环控制，比较常用。 移相器：移相器：使两相驱动电源具有要求的相位差。使两相驱动电源具有要求的相位差。 功率放大器：功率放大器：使驱动信号

26、满足电机的功率要求。使驱动信号满足电机的功率要求。 自动频率跟踪电路自动频率跟踪电路：自动频率跟踪电路主要由电压采样器和积分器自动频率跟踪电路主要由电压采样器和积分器 两部分组成。反馈电压采样器的功能是将内部传感器产生的反馈电两部分组成。反馈电压采样器的功能是将内部传感器产生的反馈电 压采集进来，并转化为直流电压；积分器的功能是对给定电压信号压采集进来，并转化为直流电压；积分器的功能是对给定电压信号 与与反馈信号反馈信号的差值的差值做出反应，输出信号加到压控振荡器的输入端，做出反应，输出信号加到压控振荡器的输入端， 从而实现变频和自动频率跟踪的功能。从而实现变频和自动频率跟踪的功能。 8.5

27、其他类型的超声波电机其他类型的超声波电机 8.5.1 驻波超声波电机驻波超声波电机 8.5.2 直线型超声波电机直线型超声波电机 8.5.3 多自由度超声波电机多自由度超声波电机 8.5.4 非接触型超声波电机非接触型超声波电机 8.5.1 驻波超声波电机驻波超声波电机 对于驻波超声波电机，在定子中激励的是单纯驻波振动，质点做往对于驻波超声波电机，在定子中激励的是单纯驻波振动，质点做往 复直线运动，通过转换装置或与其他运动组合，把往复直线运动转复直线运动，通过转换装置或与其他运动组合，把往复直线运动转 换为椭圆运动，最后驱动转子旋转。换为椭圆运动，最后驱动转子旋转。 1. 楔形超声波电机楔形超

28、声波电机 图图8-11 楔形超声波电机楔形超声波电机 形成横向共振。纵、横向振动合成的结果，使振动片前端质点的运形成横向共振。纵、横向振动合成的结果，使振动片前端质点的运 动轨迹近似为椭圆动轨迹近似为椭圆。这种电机这种电机的优点：的优点：结构简单结构简单。缺点：在振动片缺点：在振动片 与转子接触处摩擦严重；仅能单方向旋转，且与转子接触处摩擦严重；仅能单方向旋转，且调速调速困难。困难。 电机主要由电机主要由兰杰文振子兰杰文振子、振子前端的振子前端的 楔形振动片楔形振动片和和转子转子三部分组成。振子三部分组成。振子 的端面沿长度方向振动，楔形结构振的端面沿长度方向振动，楔形结构振 动片的前端面与转

29、子表面稍微倾斜接动片的前端面与转子表面稍微倾斜接 触，诱发振动片前端向上运动的分量，触，诱发振动片前端向上运动的分量， 8.5.1 驻波超声波电机驻波超声波电机 2. 扭扭-纵复合型超声波电机纵复合型超声波电机 图图8-12 扭扭-纵复合型纵复合型 超声波电机超声波电机 电机电机的的定子由两个独立的振子组成。纵振子定子由两个独立的振子组成。纵振子 控制定子与转子之间的摩擦力，扭振子控制控制定子与转子之间的摩擦力，扭振子控制 输出转矩。扭转振动和纵向振动在定子弹性输出转矩。扭转振动和纵向振动在定子弹性 体合成体合成质点的椭圆运动质点的椭圆运动。在定子的一个振动。在定子的一个振动 周期中，当定子做

30、伸长的纵向运动时，定子周期中，当定子做伸长的纵向运动时，定子 与与转子接触，抽取扭转振子某一方向的运动通过摩擦力传递给转转子接触，抽取扭转振子某一方向的运动通过摩擦力传递给转 子，以输出转矩；当定子做缩短的纵向运动时，定子与转子脱离，子，以输出转矩；当定子做缩短的纵向运动时，定子与转子脱离， 定子相反方向的扭转运动不传递给转子，保证转子单方向旋转。定子相反方向的扭转运动不传递给转子，保证转子单方向旋转。 由于两种复合运动可以独立控制，所以由于两种复合运动可以独立控制，所以电机输出转矩大、工作稳电机输出转矩大、工作稳 定、可双向旋转，并且为设计者提供了较大的设计空间。定、可双向旋转，并且为设计者

31、提供了较大的设计空间。 8.5.2 直线型超声波电机直线型超声波电机 图图8-13 行波型直线超声波电机行波型直线超声波电机 直线型超声波电机也有多种类型，现以直线型超声波电机也有多种类型，现以 直线行波型超声波电机直线行波型超声波电机为例来说明其工为例来说明其工 作原理。作原理。 电机结构：电机结构：由由兰杰文振子兰杰文振子激振器、激振器、兰杰兰杰 文振子文振子吸收器、横梁和移动体组成。吸收器、横梁和移动体组成。 行波的产生：行波的产生：激振器上外加激励电压产激振器上外加激励电压产 生逆压电效应，使梁振动。此时吸振器生逆压电效应，使梁振动。此时吸振器 受到梁的振动产生正压电效应，所产生的能量

32、消耗在与之相连的负受到梁的振动产生正压电效应，所产生的能量消耗在与之相连的负 载上。当吸振器能很好的吸收激振器传来的振动波时，有限长直梁载上。当吸振器能很好的吸收激振器传来的振动波时，有限长直梁 就好像变成了半无限长直梁，这时直梁中就形成就好像变成了半无限长直梁，这时直梁中就形成单向行波单向行波。梁表面。梁表面 的的质点做椭圆运动质点做椭圆运动，从而驱动移动体作直线运动。，从而驱动移动体作直线运动。 8.5.3 多自由度超声波电机多自由度超声波电机 1. 两自由度球形超声波电机两自由度球形超声波电机 图图8-14 两自由度球形超声波电机两自由度球形超声波电机 两自由度球形超声波电机主要两自由度

33、球形超声波电机主要由由 一个球形转子和两个定子组成。一个球形转子和两个定子组成。 定子与行波型超声波电机类似，定子与行波型超声波电机类似， 但端面加工成内球面，以便与球但端面加工成内球面，以便与球 形转子保持良好接触。定子位于形转子保持良好接触。定子位于 空间的不同位置，每一个定子可空间的不同位置，每一个定子可 以驱动球形转子绕相应的轴线旋以驱动球形转子绕相应的轴线旋 转，因此电机有两个自由度。转，因此电机有两个自由度。 8.5.3 多自由度超声波电机多自由度超声波电机 2. 三自由度超声波电机三自由度超声波电机 图图8-15 圆柱圆柱-球体三自由度超声波电机球体三自由度超声波电机 a）结构图

34、）结构图 b）压电陶瓷极化图）压电陶瓷极化图 电机电机定子为圆柱体定子为圆柱体，转子为球体转子为球体。定子。定子 采用螺杆把金属弹性体和三组六片压电采用螺杆把金属弹性体和三组六片压电 陶瓷元件及电极片夹在一起。压电陶瓷陶瓷元件及电极片夹在一起。压电陶瓷 元件利用元件利用纵压电效应来激发定子的振动纵压电效应来激发定子的振动 模态模态，使用的压电陶瓷为环状。，使用的压电陶瓷为环状。纵压电纵压电 陶瓷陶瓷沿厚度方向极化，沿厚度方向极化，弯曲振动压电陶弯曲振动压电陶 瓷瓷分割为两部分，并且相互反向极化。分割为两部分，并且相互反向极化。 六片压电陶瓷按极性相反两两叠合成一组。六片压电陶瓷按极性相反两两叠

35、合成一组。A、B两组压电陶瓷元件激发弯曲两组压电陶瓷元件激发弯曲 振动，振动，C组压电陶瓷元件激发纵向振动。组压电陶瓷元件激发纵向振动。质点的弯曲振动与纵向振动合成为质点的弯曲振动与纵向振动合成为 椭圆运动，两个弯曲振动合成行波，因此椭圆运动，两个弯曲振动合成行波，因此任意两组压电陶瓷通电都可以驱动任意两组压电陶瓷通电都可以驱动 球形转子沿相应的轴线转动，电机的运动为两两正交的三自由度。球形转子沿相应的轴线转动，电机的运动为两两正交的三自由度。 8.5.4 非接触型超声波电机非接触型超声波电机 图图8-16 8-16 非接触型超声波电机非接触型超声波电机 非接触型超声波电机非接触型超声波电机采

36、用了采用了两个兰杰两个兰杰 文振子文振子。当兰杰文振子上分别施加相。当兰杰文振子上分别施加相 位差为位差为 的激励电压时，便在定子上的激励电压时，便在定子上 激励出一个激励出一个行波行波。在定子中传播的行。在定子中传播的行 波波使间隙中的介质上产生声场，转子使间隙中的介质上产生声场，转子 表面在声场中受到两个力的作用，一表面在声场中受到两个力的作用，一 是与声场辐射同向的辐射力，另一个是与声场辐射同向的辐射力，另一个 是转子表面由于声流坡度产生声场分界层从而产生的粘滞力，是转子表面由于声流坡度产生声场分界层从而产生的粘滞力，辐射辐射 力浮起转子，粘滞力驱动转子随声场同向旋转。力浮起转子，粘滞力

37、驱动转子随声场同向旋转。 这种电机结构简单、转速高、寿命长，是很有特色的一类超声波电这种电机结构简单、转速高、寿命长，是很有特色的一类超声波电 机，应用前景广阔。机，应用前景广阔。 2 8.6 超声波电机的应用超声波电机的应用 8.6.1 在照相机自动调焦中的应用在照相机自动调焦中的应用 8.6.2 在医疗设备中的应用在医疗设备中的应用 8.6.3在机器人中的应用在机器人中的应用 8.6.4 在平面绘图仪中的应用在平面绘图仪中的应用 8.6.1 在照相机自动调焦中的应用在照相机自动调焦中的应用 图图8-17 超声波电机驱动超声波电机驱动 的调焦镜头的调焦镜头 利用超声波电机具有结构特殊、起动和

38、利用超声波电机具有结构特殊、起动和 制动速度快、断电自锁的特点，日本佳制动速度快、断电自锁的特点，日本佳 能公司于能公司于1987年开始在照相机产品的年开始在照相机产品的 中高档调焦镜头中采用环形超声波电机。中高档调焦镜头中采用环形超声波电机。 如图如图8-17 所示，电机做成中空结构，所示，电机做成中空结构， 具有质量轻、结构简单、低速大转矩且具有质量轻、结构简单、低速大转矩且 控制性能好的特点，是用作照相机镜头控制性能好的特点，是用作照相机镜头 驱动的理想结构，目前其他照相机生产驱动的理想结构，目前其他照相机生产 商也有类似的产品设计。商也有类似的产品设计。 8.6.2 在医疗设备中的应用在医疗设备中的应用 超声波电机在纳米微量注射泵、微监测、手术设备、微剂量配药、三超声波电机在纳米微量注射泵、微监测、手术设备、微剂量配药、三 维成像、药物输送装置等医疗设备中已获得应用，其中比较典型的是维成像、药物输送装置等医疗设备中已获得应用，其中比较典型的是 核磁共振核磁共振成像设备。成像设备。 核磁共振的成像原理：核磁共振的成