特種電機(jī)及其控制 超聲波電動(dòng)機(jī)ppt課件

1、第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)1 超聲波電動(dòng)機(jī)的根本原理超聲波電動(dòng)機(jī)的根本原理 3 3 超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其運(yùn)用超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其運(yùn)用 2 2 超聲波電動(dòng)機(jī)的開展超聲波電動(dòng)機(jī)的開展 6 6 超聲波電機(jī)存在的問題及研討重點(diǎn)超聲波電機(jī)存在的問題及研討重點(diǎn) 4 4 超聲波電動(dòng)機(jī)的常見構(gòu)造與分類超聲波電動(dòng)機(jī)的常見構(gòu)造與分類 5 5 行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制 教學(xué)根本要求教學(xué)根本要求分析與思索分析與思索練習(xí)題練習(xí)題前往主頁前往主頁第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波

2、電動(dòng)機(jī)(Ultrasonic Motor，簡稱，簡稱USM)是近年來開展起來的一種全新概念的驅(qū)動(dòng)安是近年來開展起來的一種全新概念的驅(qū)動(dòng)安裝，它利用壓電資料的逆壓電效應(yīng)裝，它利用壓電資料的逆壓電效應(yīng)(即電致伸即電致伸縮效應(yīng)縮效應(yīng))，把電能轉(zhuǎn)換為彈性體的超聲振動(dòng)，把電能轉(zhuǎn)換為彈性體的超聲振動(dòng)，并經(jīng)過摩擦傳動(dòng)的方式轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的回轉(zhuǎn)并經(jīng)過摩擦傳動(dòng)的方式轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。這種新型電機(jī)普通任務(wù)于或直線運(yùn)動(dòng)。這種新型電機(jī)普通任務(wù)于20kHz以上的頻率，故稱為超聲波電動(dòng)機(jī)。以上的頻率，故稱為超聲波電動(dòng)機(jī)。 1 超聲波電動(dòng)機(jī)的根本原理超聲波電動(dòng)機(jī)的根本原理上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上

3、一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)超聲波電動(dòng)機(jī)的不同命名：如振動(dòng)電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)的不同命名：如振動(dòng)電動(dòng)機(jī)(Vibration (Vibration Motor)Motor)、壓電電動(dòng)機(jī)、壓電電動(dòng)機(jī)(Piezoelectric Motor)(Piezoelectric Motor)、外表波電動(dòng)、外表波電動(dòng)機(jī)機(jī)(Surface Wave Motor)(Surface Wave Motor)、壓電超聲波電動(dòng)機(jī)、壓電超聲波電動(dòng)機(jī)(Piezoelectric Ultrasonic Motor)(Piezoelectric Ultrasonic Motor)、超聲波壓電驅(qū)動(dòng)器、超聲波壓電驅(qū)動(dòng)器/ /執(zhí)行器執(zhí)行器(Ultr

4、asonic piezoelectric actuator)(Ultrasonic piezoelectric actuator)等等。等等。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)1.1 超聲波電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造超聲波電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié) 超聲波電動(dòng)機(jī)由定子超聲波電動(dòng)機(jī)由定子( (振動(dòng)體振動(dòng)體) )和轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子( (挪動(dòng)體挪動(dòng)體) )兩部分組成兩部分組成 但電機(jī)中既沒有線圈也沒有永磁體，其定子由彈性體但電機(jī)中既沒有線圈也沒有永磁體，

5、其定子由彈性體(Elastic body)(Elastic body)和壓電陶瓷和壓電陶瓷(Piezoelectric ceramic)(Piezoelectric ceramic)構(gòu)成構(gòu)成 轉(zhuǎn)子為一個(gè)金屬板。定子和轉(zhuǎn)子在壓力作用下嚴(yán)密接觸，為轉(zhuǎn)子為一個(gè)金屬板。定子和轉(zhuǎn)子在壓力作用下嚴(yán)密接觸，為了減少定、轉(zhuǎn)子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損，通常在二者之間了減少定、轉(zhuǎn)子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損，通常在二者之間( (在轉(zhuǎn)子上在轉(zhuǎn)子上) )加一層摩擦資料。加一層摩擦資料。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)任務(wù)原理：對(duì)極化后的壓電陶瓷元件

6、施加任務(wù)原理：對(duì)極化后的壓電陶瓷元件施加定的高頻交變電壓，定的高頻交變電壓，壓電陶瓷隨著高頻電壓的幅值變化而膨脹或收縮，從而在定子壓電陶瓷隨著高頻電壓的幅值變化而膨脹或收縮，從而在定子彈性體內(nèi)激發(fā)出超聲波振動(dòng)，這種振動(dòng)傳送給與定子嚴(yán)密接觸彈性體內(nèi)激發(fā)出超聲波振動(dòng)，這種振動(dòng)傳送給與定子嚴(yán)密接觸的摩擦資料以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。的摩擦資料以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)當(dāng)對(duì)粘接在金屬彈性體上的兩片壓電陶瓷施加相位差為當(dāng)對(duì)粘接在金屬彈性體上的兩片壓電陶瓷施加相位差為9090電角度的高頻電電角度的高頻電壓時(shí)，在彈性體內(nèi)產(chǎn)

7、生兩組駐波壓時(shí)，在彈性體內(nèi)產(chǎn)生兩組駐波(Standing Wave)(Standing Wave)，這兩組駐波合成一個(gè)沿定，這兩組駐波合成一個(gè)沿定子彈性體圓周方向行進(jìn)的行波子彈性體圓周方向行進(jìn)的行波(Progressive Wave/Travelling Wave)(Progressive Wave/Travelling Wave)，使得，使得定子外表的質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成一定運(yùn)動(dòng)軌跡定子外表的質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成一定運(yùn)動(dòng)軌跡( (通常為橢圓軌跡通常為橢圓軌跡) )的超聲波微觀振動(dòng)，其的超聲波微觀振動(dòng)，其振幅普通為數(shù)微米，這種微觀振動(dòng)經(jīng)過定子振幅普通為數(shù)微米，這種微觀振動(dòng)經(jīng)過定子( (振動(dòng)體振動(dòng)體) )和轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子(

8、 (挪動(dòng)體挪動(dòng)體) )之間的之間的摩擦作用使轉(zhuǎn)子摩擦作用使轉(zhuǎn)子( (挪動(dòng)體挪動(dòng)體) )沿某一方向沿某一方向( (逆行波傳播方向逆行波傳播方向) )做延續(xù)宏觀運(yùn)動(dòng)。做延續(xù)宏觀運(yùn)動(dòng)。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)A. A. 行波的構(gòu)成行波的構(gòu)成 將極化方向相反的壓電陶瓷依將極化方向相反的壓電陶瓷依次粘貼于彈性體上，當(dāng)在壓電次粘貼于彈性體上，當(dāng)在壓電陶瓷上施加交變電壓時(shí)，壓電陶瓷上施加交變電壓時(shí)，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生交替伸縮變形，在陶瓷會(huì)產(chǎn)生交替伸縮變形，在一定的頻率和電壓條件下，彈一定的頻率和電壓條件下，彈性體上會(huì)產(chǎn)生圖示的駐

9、波，用性體上會(huì)產(chǎn)生圖示的駐波，用方程表示為方程表示為 1) 高頻電壓高頻電壓駐波駐波txy00cos2cos1.2 USM1.2 USM的任務(wù)原理的任務(wù)原理第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)A.A.行波的構(gòu)成行波的構(gòu)成 2) 兩駐波兩駐波行波行波設(shè)設(shè)A A、B B兩個(gè)駐波的振幅同為兩個(gè)駐波的振幅同為0 0，二者在時(shí)間和空間上分別，二者在時(shí)間和空間上分別相差相差9090，方程分別為，方程分別為 txyA00sin2sintxyB00cos2costxyyyBA002cos在彈性體中，這兩個(gè)駐波的合成為一行波在彈性體中，這兩個(gè)

10、駐波的合成為一行波 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)A.A.行波的構(gòu)成行波的構(gòu)成 3) 在在USM中構(gòu)成行波中構(gòu)成行波USMUSM的定子由環(huán)形彈性體和環(huán)形壓的定子由環(huán)形彈性體和環(huán)形壓電陶瓷構(gòu)成，壓電陶瓷按圖示的電陶瓷構(gòu)成，壓電陶瓷按圖示的規(guī)律極化，即可產(chǎn)生兩個(gè)在時(shí)間規(guī)律極化，即可產(chǎn)生兩個(gè)在時(shí)間和空間上都相差和空間上都相差9090的駐波。的駐波。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)B.B.彈性體外表的橢圓運(yùn)動(dòng)彈性體外表的橢圓運(yùn)動(dòng) 設(shè)彈性體厚度為設(shè)彈性體厚

11、度為h h。假設(shè)彈。假設(shè)彈性體外表任一點(diǎn)性體外表任一點(diǎn)P P在彈性體在彈性體未撓曲時(shí)的位置為未撓曲時(shí)的位置為P0P0，那，那么從么從P0P0到到P P在在y y方向的位移方向的位移為為 )cos1 (22sin00htxy由于行波的振幅比行波的波長小得多，彈性體彎曲的角度由于行波的振幅比行波的波長小得多，彈性體彎曲的角度 很小，故很小，故y y方方向的位移近似為向的位移近似為txy002sin第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)B.B.彈性體外表的橢圓運(yùn)動(dòng)彈性體外表的橢圓運(yùn)動(dòng) 從從P0P0到到P P在在x x方向的位移為方

12、向的位移為2sin2hhxtxdxdy002cos2txhx002cos又又所以所以第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)22001yxh彈性體外表上恣意一點(diǎn)彈性體外表上恣意一點(diǎn)P P按照橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)使彈性按照橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)使彈性體外表質(zhì)點(diǎn)對(duì)挪動(dòng)體產(chǎn)生一種驅(qū)動(dòng)力，且挪動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)方向與體外表質(zhì)點(diǎn)對(duì)挪動(dòng)體產(chǎn)生一種驅(qū)動(dòng)力，且挪動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)方向與行波方向相反。行波方向相反。B.B.彈性體外表的橢圓運(yùn)動(dòng)彈性體外表的橢圓運(yùn)動(dòng) 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)

13、下一節(jié)下一節(jié)彈性體外表質(zhì)點(diǎn)的橫向運(yùn)動(dòng)速度為彈性體外表質(zhì)點(diǎn)的橫向運(yùn)動(dòng)速度為0002sinxpdhvxtdt 橫向速度在行波的波峰和波谷處最大。假設(shè)假設(shè)在彈性體與挪動(dòng)體接觸處橫向速度在行波的波峰和波谷處最大。假設(shè)假設(shè)在彈性體與挪動(dòng)體接觸處的滑動(dòng)為零，那么挪動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度與波峰處質(zhì)點(diǎn)橫向速度一樣。其最大的滑動(dòng)為零，那么挪動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度與波峰處質(zhì)點(diǎn)橫向速度一樣。其最大速度為速度為22max0002hhvfv V行波在定子中的傳播速度行波在定子中的傳播速度 f 電機(jī)的激振頻率電機(jī)的激振頻率 調(diào)理激振頻率可以調(diào)理電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是有非線性。在堅(jiān)持調(diào)理激振頻率可以調(diào)理電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是有非線性。在堅(jiān)持兩相駐波等

14、幅的前提下，假設(shè)忽略壓電陶瓷的應(yīng)變隨鼓勵(lì)電兩相駐波等幅的前提下，假設(shè)忽略壓電陶瓷的應(yīng)變隨鼓勵(lì)電壓的非線性，改動(dòng)駐波的振幅壓的非線性，改動(dòng)駐波的振幅0 0，即調(diào)理壓電陶瓷的激振，即調(diào)理壓電陶瓷的激振電壓，可以做到線性調(diào)速，這是調(diào)壓調(diào)速的一大優(yōu)點(diǎn)。電壓，可以做到線性調(diào)速，這是調(diào)壓調(diào)速的一大優(yōu)點(diǎn)。 C.USMC.USM的調(diào)速方法的調(diào)速方法第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)2 2 超聲波電動(dòng)機(jī)的開展超聲波電動(dòng)機(jī)的開展 超聲波電動(dòng)機(jī)的開展大體可分為以下三個(gè)階段：超聲波電動(dòng)機(jī)的開展大體可分為以下三個(gè)階段： 探求階段探求階段(1948

15、年年20世紀(jì)世紀(jì)70年代末年代末) USM 原型出現(xiàn)原型出現(xiàn)適用化階段適用化階段(20世紀(jì)世紀(jì)70年代末年代末80年代末年代末) 商用商用USM 產(chǎn)品出現(xiàn)產(chǎn)品出現(xiàn)深層次研討深層次研討(20世紀(jì)世紀(jì)90年代年代) 機(jī)理、資料、構(gòu)造、驅(qū)動(dòng)控制、運(yùn)用機(jī)理、資料、構(gòu)造、驅(qū)動(dòng)控制、運(yùn)用 多樣化多樣化第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)1. 探求階段探求階段(1948年年20世紀(jì)世紀(jì)70年代末年代末)1超聲波電動(dòng)機(jī)的概念出現(xiàn)于超聲波電動(dòng)機(jī)的概念出現(xiàn)于1948年，英國的年，英國的Williams和和Brown懇求了懇求了“壓電電動(dòng)機(jī)壓電

16、電動(dòng)機(jī)(Piezoelectric Motor)的專利，提出的專利，提出了將振動(dòng)能作為驅(qū)動(dòng)力的想象，然而由于當(dāng)時(shí)實(shí)際與技術(shù)的局了將振動(dòng)能作為驅(qū)動(dòng)力的想象，然而由于當(dāng)時(shí)實(shí)際與技術(shù)的局限，有效的驅(qū)動(dòng)安裝未能得以實(shí)現(xiàn)。限，有效的驅(qū)動(dòng)安裝未能得以實(shí)現(xiàn)。21961年，年，Bulova Watch Ltd公司初次利用彈性體振動(dòng)來驅(qū)公司初次利用彈性體振動(dòng)來驅(qū)動(dòng)鐘表齒輪，任務(wù)頻率為動(dòng)鐘表齒輪，任務(wù)頻率為360Hz，這種鐘表走時(shí)準(zhǔn)確，每月的，這種鐘表走時(shí)準(zhǔn)確，每月的誤差只需一分鐘，突破了那個(gè)時(shí)代的紀(jì)錄，引起了驚動(dòng)。誤差只需一分鐘，突破了那個(gè)時(shí)代的紀(jì)錄，引起了驚動(dòng)。3前蘇聯(lián)學(xué)者前蘇聯(lián)學(xué)者V. V. Lavrine

17、nko 于于1964年設(shè)計(jì)了第一臺(tái)壓電旋年設(shè)計(jì)了第一臺(tái)壓電旋轉(zhuǎn)電機(jī)，以后前蘇聯(lián)在超聲波電機(jī)研討領(lǐng)域一度處于世界領(lǐng)先轉(zhuǎn)電機(jī)，以后前蘇聯(lián)在超聲波電機(jī)研討領(lǐng)域一度處于世界領(lǐng)先程度，如設(shè)計(jì)了用于微型機(jī)器人的有程度，如設(shè)計(jì)了用于微型機(jī)器人的有2 或或3 個(gè)自在度的超聲波個(gè)自在度的超聲波電機(jī)、電機(jī)、 人工超聲肌肉及超聲步進(jìn)電機(jī)等。不過，由于言語等方人工超聲肌肉及超聲步進(jìn)電機(jī)等。不過，由于言語等方面的緣由面的緣由, 前蘇聯(lián)的一些重要研討成果并未被西方科學(xué)界所充前蘇聯(lián)的一些重要研討成果并未被西方科學(xué)界所充分了解。分了解。41969 年，英國年，英國Salfod 大學(xué)的兩名教授引見了一種伺服壓電大學(xué)的兩名教授引

18、見了一種伺服壓電電機(jī)，這種電機(jī)采用二片式壓電體構(gòu)造，其速度、運(yùn)動(dòng)方式和電機(jī)，這種電機(jī)采用二片式壓電體構(gòu)造，其速度、運(yùn)動(dòng)方式和方向都可以恣意變化，呼應(yīng)速度也是傳統(tǒng)構(gòu)造電機(jī)所不能及的。方向都可以恣意變化，呼應(yīng)速度也是傳統(tǒng)構(gòu)造電機(jī)所不能及的。5美國美國IBM 公司的公司的Barth 也在也在1973 年提出了一種超聲波電動(dòng)年提出了一種超聲波電動(dòng)機(jī)的模型，從而使這種新型電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的任務(wù)。機(jī)的模型，從而使這種新型電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的任務(wù)。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)2. 適用化階段適用化階段(20世紀(jì)世紀(jì)70年代末年代末80年代末年代末)1978年，前蘇聯(lián)的年，前

19、蘇聯(lián)的Vasiliev勝利地構(gòu)造了一種可以驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載的壓電超聲勝利地構(gòu)造了一種可以驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載的壓電超聲波電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)運(yùn)用由位于兩個(gè)金屬塊之間的壓電元件所組成的超聲波電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)運(yùn)用由位于兩個(gè)金屬塊之間的壓電元件所組成的超聲換能器，將該換能器激起與轉(zhuǎn)子接觸的振動(dòng)片縱向振動(dòng)，經(jīng)過振動(dòng)片與轉(zhuǎn)換能器，將該換能器激起與轉(zhuǎn)子接觸的振動(dòng)片縱向振動(dòng)，經(jīng)過振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子間的摩擦來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。這種構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)在于不僅能降低共振頻率，子間的摩擦來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。這種構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)在于不僅能降低共振頻率，而且能放大振幅，遺憾的是，這種電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于溫度的升高、摩擦及而且能放大振幅，遺憾的是，這種電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于

20、溫度的升高、摩擦及磨損等緣由，很難堅(jiān)持振動(dòng)片的恒幅振動(dòng)。磨損等緣由，很難堅(jiān)持振動(dòng)片的恒幅振動(dòng)。日本的日本的T. Sashida在在Vasiliev的研討根底上，于的研討根底上，于1980年提出并勝利地制造了年提出并勝利地制造了一種駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)運(yùn)用一種駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)運(yùn)用Langevin激振器，驅(qū)動(dòng)頻率為激振器，驅(qū)動(dòng)頻率為27.8 kHz，電輸入功率為，電輸入功率為90W，機(jī)械輸出功率為，機(jī)械輸出功率為50W，輸出扭矩為，輸出扭矩為0.25N m，初次到達(dá)了可以滿足實(shí)踐運(yùn)用的要求，但由于振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子的接觸是固定初次到達(dá)了可以滿足實(shí)踐運(yùn)用的要求，但由于振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子的接觸是固

21、定在一個(gè)位置上，仍存在著接觸外表上摩擦和磨損等問題。在一個(gè)位置上，仍存在著接觸外表上摩擦和磨損等問題。上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)19821982年，年，SashidaSashida又提出并制造了另一臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)又提出并制造了另一臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)行波型超聲波行波型超聲波電動(dòng)機(jī)，從原來的由駐波定點(diǎn)、定期推進(jìn)轉(zhuǎn)子變換成由行波延續(xù)不斷地推電動(dòng)機(jī)，從原來的由駐波定點(diǎn)、定期推進(jìn)轉(zhuǎn)子變換成由行波延續(xù)不斷地推進(jìn)轉(zhuǎn)子，大大地降低了定子與轉(zhuǎn)子接觸面上的摩擦和磨損。這種電機(jī)可以進(jìn)轉(zhuǎn)子，大大地降低了定子與轉(zhuǎn)子接觸面上的摩擦和磨損。這種電

22、機(jī)可以運(yùn)轉(zhuǎn)的本質(zhì)就是定子外表的質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成了橢圓運(yùn)動(dòng)。之后，在日本掀起了利運(yùn)轉(zhuǎn)的本質(zhì)就是定子外表的質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成了橢圓運(yùn)動(dòng)。之后，在日本掀起了利用各種振動(dòng)模態(tài)的研討熱潮，如利用縱向、彎曲、改動(dòng)等振動(dòng)來獲得橢圓用各種振動(dòng)模態(tài)的研討熱潮，如利用縱向、彎曲、改動(dòng)等振動(dòng)來獲得橢圓運(yùn)動(dòng)。這種電機(jī)的研討勝利，為超聲波電動(dòng)機(jī)走向適用階段奠定了根底。運(yùn)動(dòng)。這種電機(jī)的研討勝利，為超聲波電動(dòng)機(jī)走向適用階段奠定了根底。19871987年，行波超聲波電動(dòng)機(jī)終于到達(dá)了商業(yè)運(yùn)用程度。以后許多超聲波電年，行波超聲波電動(dòng)機(jī)終于到達(dá)了商業(yè)運(yùn)用程度。以后許多超聲波電動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品不斷地研制出來并推向市場。到動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品不斷地研制出來并推向市場。

23、到2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代中期日本已構(gòu)成年代中期日本已構(gòu)成三個(gè)系列的超聲波電動(dòng)機(jī)：即日立馬克賽爾公司的駐波改動(dòng)耦合器系列、三個(gè)系列的超聲波電動(dòng)機(jī)：即日立馬克賽爾公司的駐波改動(dòng)耦合器系列、松下電器公司的行波系列和新生公司的彎曲波模態(tài)系列。除日本外，松下電器公司的行波系列和新生公司的彎曲波模態(tài)系列。除日本外，Electro Mechanical Systems Electro Mechanical Systems 公司也推出了英國第一個(gè)商用超聲波電動(dòng)公司也推出了英國第一個(gè)商用超聲波電動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品機(jī)系列產(chǎn)品USR30USR30。上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章

24、章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)3. 深層次研討深層次研討(20世紀(jì)世紀(jì)90年代年代)在在20世紀(jì)世紀(jì)80年代，國外的研討任務(wù)主要集中在研討新的驅(qū)動(dòng)機(jī)理、構(gòu)造新年代，國外的研討任務(wù)主要集中在研討新的驅(qū)動(dòng)機(jī)理、構(gòu)造新的構(gòu)造方式、開發(fā)新型電機(jī)等方面，著重于動(dòng)力傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，尚未能顧及的構(gòu)造方式、開發(fā)新型電機(jī)等方面，著重于動(dòng)力傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，尚未能顧及到性能的改善。由于對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的根底實(shí)際研討得不夠透徹，沒有構(gòu)到性能的改善。由于對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的根底實(shí)際研討得不夠透徹，沒有構(gòu)成完好的設(shè)計(jì)實(shí)際，使超聲波電動(dòng)機(jī)的研討帶有一定程度的盲目性。直到成完好的設(shè)計(jì)實(shí)際，使超聲波電動(dòng)機(jī)的研討帶有一定程度的盲目性。

25、直到90年代后，超聲波電動(dòng)機(jī)的建模、性能預(yù)測等實(shí)際問題才開場引起關(guān)注，年代后，超聲波電動(dòng)機(jī)的建模、性能預(yù)測等實(shí)際問題才開場引起關(guān)注，但至今尚無系統(tǒng)的論述。但至今尚無系統(tǒng)的論述。目前，世界各國對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的研討極為活潑，超聲波電動(dòng)機(jī)的研討趨目前，世界各國對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的研討極為活潑，超聲波電動(dòng)機(jī)的研討趨向多元化。例如，美國利用其先進(jìn)的資料和向多元化。例如，美國利用其先進(jìn)的資料和IC工藝研制出的微型超聲波電工藝研制出的微型超聲波電動(dòng)機(jī)，其尺寸僅有數(shù)百微米動(dòng)機(jī)，其尺寸僅有數(shù)百微米(250m500m2m)，驅(qū)動(dòng)電壓的典型值，驅(qū)動(dòng)電壓的典型值是是5V，最低為，最低為1.5V，轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)速為150r/m

26、in。而大型超聲波電動(dòng)機(jī)的扭矩達(dá)。而大型超聲波電動(dòng)機(jī)的扭矩達(dá)400N m。上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)3 3 超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其運(yùn)用超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其運(yùn)用超聲波電動(dòng)機(jī)將電致伸縮、超聲振動(dòng)、動(dòng)搖原理這些毫不相關(guān)的概念與超聲波電動(dòng)機(jī)將電致伸縮、超聲振動(dòng)、動(dòng)搖原理這些毫不相關(guān)的概念與電機(jī)聯(lián)絡(luò)在一同，發(fā)明出一種完全新型的電動(dòng)機(jī)。電機(jī)聯(lián)絡(luò)在一同，發(fā)明出一種完全新型的電動(dòng)機(jī)。 (1) (1) 低速大轉(zhuǎn)矩低速大轉(zhuǎn)矩: : 在超聲波電機(jī)中，超聲振動(dòng)的振幅普通不超越幾微米，在超聲波電機(jī)中，超聲振動(dòng)的振幅普通不超越幾微米，振動(dòng)

27、速度只需幾厘米每秒到幾米每秒。無滑動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的速度由振動(dòng)速度振動(dòng)速度只需幾厘米每秒到幾米每秒。無滑動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的速度由振動(dòng)速度決議，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速普通很低，每分鐘只需十幾轉(zhuǎn)到幾百轉(zhuǎn)。由于定決議，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速普通很低，每分鐘只需十幾轉(zhuǎn)到幾百轉(zhuǎn)。由于定子和轉(zhuǎn)子間靠摩擦力傳動(dòng)，假設(shè)兩者之間的壓力足夠大，轉(zhuǎn)矩就很大。子和轉(zhuǎn)子間靠摩擦力傳動(dòng)，假設(shè)兩者之間的壓力足夠大，轉(zhuǎn)矩就很大。(2) (2) 體積小、分量輕體積小、分量輕: : 超聲波電機(jī)不用線圈，也沒有磁鐵，構(gòu)造相對(duì)簡超聲波電機(jī)不用線圈，也沒有磁鐵，構(gòu)造相對(duì)簡單，與普通電機(jī)相比，在輸出轉(zhuǎn)矩一樣的情況下，可以做得更小、更輕、單，與普通電機(jī)相比，在輸出轉(zhuǎn)矩一

28、樣的情況下，可以做得更小、更輕、更薄。更薄。(3) (3) 反響速度快，控制特性好反響速度快，控制特性好: : 超聲波電動(dòng)機(jī)靠摩擦力驅(qū)動(dòng)，挪動(dòng)體的超聲波電動(dòng)機(jī)靠摩擦力驅(qū)動(dòng)，挪動(dòng)體的質(zhì)量較輕，慣性小，呼應(yīng)速度快，起動(dòng)和停頓時(shí)間為毫秒量級(jí)。因此它質(zhì)量較輕，慣性小，呼應(yīng)速度快，起動(dòng)和停頓時(shí)間為毫秒量級(jí)。因此它可以實(shí)現(xiàn)高精度的速度控制和位置控制。可以實(shí)現(xiàn)高精度的速度控制和位置控制。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)3 3 超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其運(yùn)用超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其運(yùn)用第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)由于超聲波電動(dòng)機(jī)具有電磁電機(jī)所不具備的許多特點(diǎn)，雖由于超聲波電動(dòng)

29、機(jī)具有電磁電機(jī)所不具備的許多特點(diǎn)，雖然它的發(fā)明與開展僅有然它的發(fā)明與開展僅有2020多年的歷史，但在宇航、機(jī)器人、多年的歷史，但在宇航、機(jī)器人、汽車、精細(xì)定位、醫(yī)療器械、微型機(jī)械等領(lǐng)域已得到勝利汽車、精細(xì)定位、醫(yī)療器械、微型機(jī)械等領(lǐng)域已得到勝利的運(yùn)用。的運(yùn)用。日本日本CanonCanon公司將超聲波電機(jī)用于其公司將超聲波電機(jī)用于其EOS620/650EOS620/650自動(dòng)聚焦單自動(dòng)聚焦單鏡頭反射式照相機(jī)中；鏡頭反射式照相機(jī)中；歐洲將超聲波電機(jī)用于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及微動(dòng)設(shè)備，如歐洲將超聲波電機(jī)用于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及微動(dòng)設(shè)備，如19861986年獲年獲NobelNobel物理學(xué)獎(jiǎng)的掃描隧道顯微鏡物理學(xué)獎(jiǎng)的掃描隧

30、道顯微鏡(STM)(STM)；美國在宇宙飛船、火星探測器、導(dǎo)彈、核彈頭等航空航天美國在宇宙飛船、火星探測器、導(dǎo)彈、核彈頭等航空航天工程中也都陸續(xù)運(yùn)用了超聲波電動(dòng)機(jī)。工程中也都陸續(xù)運(yùn)用了超聲波電動(dòng)機(jī)。3 3 超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其運(yùn)用超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其運(yùn)用第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)Tiny, Ultrasonic, Piezoelectric Motors Penn State University，USAChina Develops Worlds Thinnest Ultrasonic Motor (Peop

31、les Daily Online, December 06, 2001)The white cylindrical motor, developed by Chinas prestigious Qinghua University, is 5-millimeter long and weighs 36 mg. Its diameter is only one millimeter. The mini motor can be used in medical applications, bioscience and national defense. 清華大學(xué)研制的微型超清華大學(xué)研制的微型超聲電

32、機(jī)聲電機(jī)20012001第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)日本日本Canon 公司將公司將USM用于用于照相機(jī)的聚焦系統(tǒng)照相機(jī)的聚焦系統(tǒng)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)NASA NASA 將超聲電機(jī)用于空間機(jī)器人技術(shù)將超聲電機(jī)用于空間機(jī)器人技術(shù)Coddar Space F ligh t Cen ter Coddar Space F ligh t Cen ter 將超聲電機(jī)運(yùn)用于空間將超聲電機(jī)運(yùn)用于空間機(jī)器人技術(shù)。其中微型機(jī)器手機(jī)器人技術(shù)。其中微型機(jī)器手MicroArm I MicroArm I 運(yùn)用了具

33、有力矩運(yùn)用了具有力矩0. 05 Nm 0. 05 Nm 的超聲電機(jī)。火星機(jī)器手的超聲電機(jī)。火星機(jī)器手MarsArm II MarsArm II 運(yùn)用了運(yùn)用了3 3個(gè)個(gè)具有力矩為具有力矩為0. 68Nm 0. 68Nm 和一個(gè)具有和一個(gè)具有0. 11 Nm 0. 11 Nm 的超聲電機(jī)的超聲電機(jī)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)美國美國Vanderbilt 大學(xué)將超聲電機(jī)運(yùn)用于微型飛行器大學(xué)將超聲電機(jī)運(yùn)用于微型飛行器上一頁上一頁下一頁下一頁前往前往上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)美國加州大學(xué)研制的智能藥片美國加州大學(xué)研制的智能藥片第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)4 4

34、超聲波電動(dòng)機(jī)的常見構(gòu)造與分類超聲波電動(dòng)機(jī)的常見構(gòu)造與分類(1) (1) 環(huán)狀或盤式行波型超聲波電動(dòng)機(jī)環(huán)狀或盤式行波型超聲波電動(dòng)機(jī) 由底部粘接著壓電陶瓷元件的環(huán)狀定子和環(huán)狀轉(zhuǎn)子構(gòu)成。對(duì)極化后的壓電由底部粘接著壓電陶瓷元件的環(huán)狀定子和環(huán)狀轉(zhuǎn)子構(gòu)成。對(duì)極化后的壓電陶瓷元件施加陶瓷元件施加定的高頻交變電壓，在定子彈性體中構(gòu)成沿圓周方向的彎定的高頻交變電壓，在定子彈性體中構(gòu)成沿圓周方向的彎曲行波。對(duì)定、轉(zhuǎn)子施加一定的預(yù)壓力，轉(zhuǎn)子遭到與行波傳播方向相反的曲行波。對(duì)定、轉(zhuǎn)子施加一定的預(yù)壓力，轉(zhuǎn)子遭到與行波傳播方向相反的摩擦力作用而延續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，定子上的齒槽用于改善電機(jī)的任務(wù)性能。摩擦力作用而延續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，定子上的齒

35、槽用于改善電機(jī)的任務(wù)性能。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)(2) (2) 直線式行波型超聲波電動(dòng)機(jī)直線式行波型超聲波電動(dòng)機(jī)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)(3) 駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)SashidaSashida研制的楔形駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)研制的楔形駐波型超聲波電動(dòng)機(jī): :由由LangevinLangevin振子、振子前端的楔形振動(dòng)片振子、振子前端的楔形振動(dòng)片和轉(zhuǎn)子三部分組成。和轉(zhuǎn)子三部分組成。振子的端面沿長度方向振動(dòng)，楔形構(gòu)造

36、振動(dòng)片的前端面與轉(zhuǎn)子外表略微振子的端面沿長度方向振動(dòng)，楔形構(gòu)造振動(dòng)片的前端面與轉(zhuǎn)子外表略微傾斜接觸傾斜接觸( (夾角為夾角為) )，誘發(fā)振動(dòng)片前端產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)的分量，產(chǎn)生橫向，誘發(fā)振動(dòng)片前端產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)的分量，產(chǎn)生橫向共振，縱橫振動(dòng)合成的結(jié)果，使振動(dòng)片前端質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為橢圓。共振，縱橫振動(dòng)合成的結(jié)果，使振動(dòng)片前端質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為橢圓。振動(dòng)片向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子接觸處的摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)；向下振動(dòng)片向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子接觸處的摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)；向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，脫離接觸，沒有運(yùn)動(dòng)的傳送，轉(zhuǎn)子依托其慣性堅(jiān)持方向向上的運(yùn)動(dòng)時(shí)，脫離接觸，沒有運(yùn)動(dòng)的傳送，轉(zhuǎn)子依托其慣性堅(jiān)持方向向上的運(yùn)動(dòng)形

37、狀。運(yùn)動(dòng)形狀。這種電機(jī)設(shè)計(jì)簡單，但存在兩個(gè)缺陷：在振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子接觸處磨損嚴(yán)重；這種電機(jī)設(shè)計(jì)簡單，但存在兩個(gè)缺陷：在振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子接觸處磨損嚴(yán)重；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較難控制，僅能一方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較難控制，僅能一方向旋轉(zhuǎn)。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)日立日立MaxellMaxell公司的改良型駐公司的改良型駐波超聲波電動(dòng)機(jī)，采用機(jī)械波超聲波電動(dòng)機(jī)，采用機(jī)械改動(dòng)銜接器取代了楔形振動(dòng)改動(dòng)銜接器取代了楔形振動(dòng)片，借助改動(dòng)銜接器將壓電片，借助改動(dòng)銜接器將壓電振子產(chǎn)生的縱向振動(dòng)誘發(fā)出振子產(chǎn)生的縱向振動(dòng)誘發(fā)出改動(dòng)振動(dòng)，兩種振動(dòng)在改動(dòng)改動(dòng)振動(dòng)，兩種振動(dòng)在改動(dòng)銜接器前端合成質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)銜接器前端合成

38、質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這動(dòng)軌跡，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)種電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)120r/min120r/min，輸出轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩1.3N1.3Nm m，能量轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)換效率為效率為8080，超越傳統(tǒng)電磁，超越傳統(tǒng)電磁型電機(jī)。型電機(jī)。 (3) 駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)采用改動(dòng)銜接器的駐波型超采用改動(dòng)銜接器的駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)聲波電動(dòng)機(jī) 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī) 駐波超聲波電動(dòng)機(jī)是利用在彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來驅(qū)動(dòng)挪駐波超聲波電動(dòng)機(jī)是利用在彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來驅(qū)動(dòng)挪動(dòng)體挪動(dòng)。但是，單一的駐波并不能傳送能量，由于彈性體動(dòng)體挪動(dòng)。但是，單一的駐波并不能傳送能

39、量，由于彈性體外表質(zhì)點(diǎn)作同相振動(dòng)。因此，駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)經(jīng)過激發(fā)外表質(zhì)點(diǎn)作同相振動(dòng)。因此，駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)經(jīng)過激發(fā)并合成相互垂直的兩個(gè)駐波，使得彈性體外表質(zhì)點(diǎn)作橢圓振并合成相互垂直的兩個(gè)駐波，使得彈性體外表質(zhì)點(diǎn)作橢圓振動(dòng)，直接或間接地驅(qū)動(dòng)挪動(dòng)體運(yùn)動(dòng)而輸出能量。動(dòng)，直接或間接地驅(qū)動(dòng)挪動(dòng)體運(yùn)動(dòng)而輸出能量。根據(jù)鼓勵(lì)兩個(gè)駐波振動(dòng)的方式不同根據(jù)鼓勵(lì)兩個(gè)駐波振動(dòng)的方式不同, ,駐波超聲波電動(dòng)機(jī)分為駐波超聲波電動(dòng)機(jī)分為縱扭振動(dòng)復(fù)合型縱扭振動(dòng)復(fù)合型: :采用兩個(gè)獨(dú)立的壓電振子分別激發(fā)相互垂直采用兩個(gè)獨(dú)立的壓電振子分別激發(fā)相互垂直的兩個(gè)駐波振動(dòng)，合成彈性體外表質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)軌跡。的兩個(gè)駐波振動(dòng)，合成彈性體外

40、表質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)軌跡。模態(tài)轉(zhuǎn)換型：模態(tài)轉(zhuǎn)換型僅有一個(gè)壓電振子激發(fā)某一方向的模態(tài)轉(zhuǎn)換型：模態(tài)轉(zhuǎn)換型僅有一個(gè)壓電振子激發(fā)某一方向的振動(dòng)，再經(jīng)過一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)換振子同時(shí)誘發(fā)與其垂直的振動(dòng)，振動(dòng)，再經(jīng)過一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)換振子同時(shí)誘發(fā)與其垂直的振動(dòng)，二者合成彈性體外表質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)軌跡，驅(qū)動(dòng)挪動(dòng)體運(yùn)動(dòng)。二者合成彈性體外表質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)軌跡，驅(qū)動(dòng)挪動(dòng)體運(yùn)動(dòng)。如前兩例如前兩例第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)縱扭復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)構(gòu)造縱扭復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)構(gòu)造定子由兩個(gè)獨(dú)立的振子所定子由兩個(gè)獨(dú)立的振子所組成：縱向振子控制定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦力組成：縱向振子控制定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦力( (正壓力正壓力)

41、 )；改；改動(dòng)振子控制輸出轉(zhuǎn)矩。動(dòng)振子控制輸出轉(zhuǎn)矩。由于兩種復(fù)合運(yùn)動(dòng)可獨(dú)立控制，所以其輸出轉(zhuǎn)矩大，任務(wù)穩(wěn)由于兩種復(fù)合運(yùn)動(dòng)可獨(dú)立控制，所以其輸出轉(zhuǎn)矩大，任務(wù)穩(wěn)定，可雙向運(yùn)動(dòng)，并且為設(shè)計(jì)者提供了較大的設(shè)計(jì)空間。定，可雙向運(yùn)動(dòng)，并且為設(shè)計(jì)者提供了較大的設(shè)計(jì)空間。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)4 4非接觸式超聲波電動(dòng)機(jī)非接觸式超聲波電動(dòng)機(jī) 定子與轉(zhuǎn)子之間不直接接觸，而定子與轉(zhuǎn)子之間不直接接觸，而是在它們之間填充一種介質(zhì)：液是在它們之間填充一種介質(zhì)：液體或氣體。當(dāng)定子振動(dòng)時(shí)，也就體或氣體。當(dāng)定子振動(dòng)時(shí)，也就引起了介質(zhì)的振動(dòng)，在介質(zhì)與轉(zhuǎn)引起了介質(zhì)的振動(dòng)，在介質(zhì)與轉(zhuǎn)子的接觸面就構(gòu)成了摩

42、擦力，從子的接觸面就構(gòu)成了摩擦力，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。非接觸式超聲而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。非接觸式超聲波電動(dòng)機(jī)是以犧牲轉(zhuǎn)矩為代價(jià)的，波電動(dòng)機(jī)是以犧牲轉(zhuǎn)矩為代價(jià)的，其驅(qū)動(dòng)力都很小。其驅(qū)動(dòng)力都很小。東京工業(yè)大學(xué)東京工業(yè)大學(xué)Tohgo YamazakiTohgo Yamazaki等研制的圓筒型非接觸式超聲波電動(dòng)機(jī)。其等研制的圓筒型非接觸式超聲波電動(dòng)機(jī)。其定子由硬鋁制成，定子圓筒長為定子由硬鋁制成，定子圓筒長為16.5mm16.5mm、內(nèi)徑、內(nèi)徑56mm56mm、外徑、外徑61.8 mm61.8 mm，并由兩，并由兩個(gè)個(gè)LangevinLangevin振子鼓勵(lì)，構(gòu)成行波。筒型轉(zhuǎn)子放置在定子筒內(nèi)。當(dāng)定子產(chǎn)生振子鼓

43、勵(lì)，構(gòu)成行波。筒型轉(zhuǎn)子放置在定子筒內(nèi)。當(dāng)定子產(chǎn)生行波時(shí)，轉(zhuǎn)子懸浮起來并沿著行波前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電源的頻率為行波時(shí)，轉(zhuǎn)子懸浮起來并沿著行波前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電源的頻率為26kHz26kHz，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000 r/min3000 r/min。由于采用了。由于采用了LangevinLangevin振子，電機(jī)構(gòu)造變振子，電機(jī)構(gòu)造變得復(fù)雜，占有的空間較大，而且外形不規(guī)那么，因此限制了它的運(yùn)用場所。得復(fù)雜，占有的空間較大，而且外形不規(guī)那么，因此限制了它的運(yùn)用場所。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)(5) (5) 多自在度超聲波電動(dòng)機(jī)多自在度超聲波電動(dòng)機(jī) 三自

44、在度超聲波電機(jī)三自在度超聲波電機(jī)兩自在度超聲波電動(dòng)機(jī)兩自在度超聲波電動(dòng)機(jī) 電機(jī)由球形轉(zhuǎn)子、兩對(duì)徑向定子等組成。定子是電機(jī)由球形轉(zhuǎn)子、兩對(duì)徑向定子等組成。定子是一個(gè)短圓柱體，用等截面梁穿過定子來施加軸向一個(gè)短圓柱體，用等截面梁穿過定子來施加軸向力，使得定子與轉(zhuǎn)子嚴(yán)密接觸。利用粘貼在定子力，使得定子與轉(zhuǎn)子嚴(yán)密接觸。利用粘貼在定子上的壓電陶瓷同時(shí)在定子上激發(fā)出兩個(gè)在空間相上的壓電陶瓷同時(shí)在定子上激發(fā)出兩個(gè)在空間相互垂直的振動(dòng)模態(tài)，兩個(gè)模態(tài)合成使得定子側(cè)外互垂直的振動(dòng)模態(tài)，兩個(gè)模態(tài)合成使得定子側(cè)外表產(chǎn)生行波，從而經(jīng)過摩擦接觸驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)表產(chǎn)生行波，從而經(jīng)過摩擦接觸驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。兩對(duì)徑向定子置于一

45、個(gè)平面內(nèi)不同的位置，動(dòng)。兩對(duì)徑向定子置于一個(gè)平面內(nèi)不同的位置，這樣電機(jī)就可得到兩個(gè)自在度的運(yùn)動(dòng)。這樣電機(jī)就可得到兩個(gè)自在度的運(yùn)動(dòng)。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī) 超超聲聲波波電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī) 行波型行波型 駐波型駐波型 按結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式分按結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式分 直線式直線式 旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)式 按彈性體和運(yùn)動(dòng)體的按彈性體和運(yùn)動(dòng)體的接觸情況分接觸情況分 接觸式接觸式 非接觸式非接觸式 按轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的自由度分按轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的自由度分 單自由度式單自由度式 多自由度式多自由度式 按結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式分按結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式分 直線式直線式 旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)式 按彈性體和運(yùn)動(dòng)體的按彈性體和運(yùn)動(dòng)體的接觸情況分接觸情況

46、分 接觸式接觸式 非接觸式非接觸式 縱扭復(fù)合型縱扭復(fù)合型 模態(tài)轉(zhuǎn)換型模態(tài)轉(zhuǎn)換型 按激勵(lì)兩個(gè)駐按激勵(lì)兩個(gè)駐波的方式分波的方式分 超聲波電動(dòng)機(jī)的分類超聲波電動(dòng)機(jī)的分類第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)5 5 行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)USM頻率控制的的驅(qū)動(dòng)與控制電路框圖頻率控制的的驅(qū)動(dòng)與控制電路框圖上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)

47、上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)6 超聲波電機(jī)存在的問題及研討重點(diǎn)超聲波電機(jī)存在的問題及研討重點(diǎn)USMUSM與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)相比有無可替代的優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在一些問與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)相比有無可替代的優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在一些問題：題：(1)(1)控制困難控制困難: : 從實(shí)際上來說，目前超聲波電機(jī)依然沒有一個(gè)準(zhǔn)確的從實(shí)際上來說，目前超聲波電機(jī)依然沒有一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來對(duì)其振動(dòng)過程和運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)展系統(tǒng)的描畫。由于壓電資料數(shù)學(xué)模型來對(duì)其振動(dòng)過程和運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)展系統(tǒng)的描畫。由于壓電資料的特殊性、摩擦發(fā)熱和環(huán)境變化等問題，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦力將產(chǎn)生嚴(yán)的特殊性、摩擦發(fā)熱和環(huán)境變化等問題，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦力將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性變化。這種變化使控制電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的難度大大添加。此重的非線性變化。這種變化使控制電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的難度大大添加。此外，由于壓電資料的特殊性，使得每一臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)所需求的驅(qū)動(dòng)外，由于壓電資料的特殊性，使得每一臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)所需求的驅(qū)動(dòng)電源都不一樣，這樣，電機(jī)和電源必需一一配套，不利于大規(guī)模消費(fèi)。電源都不一樣，這樣，電機(jī)和電源必需一一配套，不利于大規(guī)模消費(fèi)。(2)(2)壽命較短壽命較短: : 超聲波電機(jī)的壽命大約超聲波電機(jī)的壽命大約20002000小時(shí)，與傳統(tǒng)電機(jī)相比，小時(shí)，與傳統(tǒng)電機(jī)相比，長時(shí)間任務(wù)的耐久性不盡人意。長時(shí)間任務(wù)的耐久性不盡人意。(