微特电机及系统 chap11_超声波电机.ppt

1、超声波电动机,一、概述,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。,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

2、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。,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

3、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,平板,球型,1. 压电效应与压电振子,二、超声波电机的运动形成机理,压电材料的应变,2.椭圆运动及其作用,质点运动轨迹,椭圆运动的作用,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,压电陶瓷电极布置图,(a) 正面,(b) 反面,2.运行机理,定子弯曲振动产生机理,行波型超声波电机动作原理图,圆环形定子的振动变位,典型工作特性,3

4、.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。,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

5、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%。,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,几种控制方法的比较,五、行波型超声波电机的驱动电路,驱动电路框图,六、其它类型超声波电机,1.驻波型超声波电机 2.直线型超声波电机 3.多自由度球形超声波电机 4.非接