微特电机及系统课件：chap11_超声波电机

1、 超声波电动机11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材一、概述11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材 超声波电动机 (Ultrasonic Motor，简称为USM)，是利用压电材料的逆压电效应为激励，使定子弹性体在超声频段产生微观机械振动(振动频率在20kHz以上)，并通过定子和转子(或动子)之间的摩擦作用，将定子的微观振动转换成转子(或动子)的宏观的单方向转动(或直线运动)。它打破了传统电机需由电磁效应获得转矩和转速的概念。 11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材 超声波电机是一个机电耦合系统，它涉及到振动学、摩擦学、材料学、电力电子技术、自动

2、控制技术和实验技术等，是一项跨学科的高新技术。 美国与前苏联首先研制成功原理性超声波电机，20世纪80年代，日本致力于将美、苏的原理型样机开发成实用型超声波电机。到80年代末90年代初，日本的超声波电机开始进入商业应用。在超声波电机技术发展和实际应用方面，日本一直处于世界领先地位。 我国在20世纪80年代中后期开始研究超声波电机，进入90年代后，国内多所高校和科研院所相继开展了研究。但目前与国际水平相比，还有不小差距。11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材与传统电磁式电机相比，超声波电机具有以下特点:（1）转矩/质量比大，结构简单、紧凑；（2）低速大转矩，无需齿轮减速机构，可实

3、现直接驱动；（3）动作响应快(毫秒级)，控制性能好；（4）断电自锁；（5）不产生磁场，也不受外界磁场干扰；（6）运行噪声小；（7）摩擦损耗大，效率低，只有10%40%；（8）输出功率小，目前实际应用的只有10W左右；（9）寿命短，只有10005000h，不适合连续工作。主要类型：1. 按自身形状和结构分：2. 按功能分：3.按动作方式分：棒状或杆状圆盘或圆环旋转型直线移动型行波型驻波型11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材平板球型1. 压电效应与压电振子 11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、超声波电机的运动形成机理压电材料的应变 11.超声波电动机普通高等

4、教育“十一五”国家级规划教材2.椭圆运动及其作用质点运动轨迹 椭圆运动的作用 11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材有二个空间相互垂直的振动位移ux和uy，均是由简谐振动形成的，振动角频率为，振幅分别为和，时间相位差为消去时间t (n=0, 1, 2, )时，两个位移为同相运动，合成轨迹为一条直线；当当时，其轨迹为一椭圆，其中时为一规则椭圆11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材三、环形行波型超声波电机结构与工作原理1.电机结构环形行波型USM的定子和转子 环形USM装配图 11.超声波电动机普通高等教育“十一

5、五”国家级规划教材压电陶瓷电极布置图(a) 正面(b) 反面11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.运行机理定子弯曲振动产生机理 11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材行波型超声波电机动作原理图 11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材圆环形定子的振动变位 典型工作特性 11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材3.转子运动速度与方向 由两个驻波叠加形成行波，在机理上与电机学中的旋转磁场理论有相似之处。由电机学知道，当在单相绕组中通入单相交流电流时产生的是脉动磁场，如果有两个匝数相同、空间相差90的绕组，当在其中通入大小相等、时间相位

6、互差90的对称交流电流时，所产生的两个脉动磁场相合成就得到一个圆形旋转磁场，旋转磁场的转向取决于电流的相序，将任一相的电流反向，就可改变旋转磁场的转向。这里，单相脉动磁场对应着超声波电机中的驻波，而旋转磁场对应着行波。将电磁式电机中的旋转磁场与超声波电机中的行波联系起来，有助于对行波型超声波电机工作原理的理解。 11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材4.工作特性 与传统电磁式电机类似，超声波电动机的工作特性主要是指转速、效率、输出功率等与输入转矩之间的关系，这些特性与电机型式、控制方式等多种参数有关。一般而言，USM的机械特性与电磁式直流电动机类似，电机的转速随着转矩的增大而下

7、降，并且呈明显的非线性；而USM的效率特性则与电磁式电机不同，最大效率出现在低速、大转矩区域。因此，USM适合低速运行。总体而言，超声波电动机的效率较低，目前环形行波型USM的效率一般不超过45%。11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材四、行波型超声波电机的速度控制频率控制 相位控制电压控制11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材几种控制方法的比较控制变量控制方法说明优点缺点频率通过调节谐振点附近频率控制转矩与转速响应快，易于实现低速起动，电路简单非线性相位差改变定子表面质点椭圆运动轨迹可控制电机转向非线性，不易实现低速起动，有死区，实现电路较复杂电压幅值两相电压幅值相等改变行波振幅特性线性度好，实现电路较简单调节范围小，低速时转矩小，有死区11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材五、行波型超声波电机的驱动电路驱动电路框图 11.超声波电动机普通高等教育“十一五”国家级规划教材六、其它类型超声波电机1.驻波型超声波电机2.直线型超声波电