文獻綜述,超聲電機原理與未來

1、超聲電機認(rèn)知及知識擴充學(xué)習(xí)報告超聲電機原理及未來發(fā)展摘要超聲電機起源于上世紀(jì)八十年代，前后經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展。具有力矩 / 質(zhì)量比大，結(jié) 構(gòu)緊湊，低速大扭矩，響應(yīng)快，電磁兼容性和控制性能好等突出優(yōu)點； 并已各個領(lǐng)域得到 廣泛的應(yīng)用。超聲電機理論、方法、制作、應(yīng)用、研究都取得豐富的成果。其原理是利用壓 電材料的逆壓電效應(yīng)使得駐波疊加形成行波實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換， 最終通過定轉(zhuǎn)子之間摩擦實現(xiàn)轉(zhuǎn) 子運轉(zhuǎn)。 其使用的壓電材料為壓電陶瓷， 壓電材料和摩擦材料均應(yīng)達(dá)到一定的要求。 目前超 聲電機還存在一定缺陷亟待完善， 但未來超聲電機其必將向各個領(lǐng)域發(fā)展， 并得到廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞： 超聲電機 經(jīng)歷 逆壓電效應(yīng) 振

2、動 駐波 行波 壓電材料 缺陷 發(fā)展AbstractUltrasonic motor originated in the eighty's of the last century, and has experienced decades of development. With torque / mass ratio, compact structure, high torque at low speed, quick response, outstanding advantages of electromagnetic compatibility and good control p

3、erformance; widely used in various fields . Theory, method, ultrasonic motor manufacture, application, research have seen abundant achievements. Its principle is to use the inverse piezoelectric effect of piezoelectric material which can engender standing wave superimposition ,thus producing traveli

4、ng wave, then the friction between the stator and rotor cause the rotor to move， realizing the energy conversion. The use of piezoelectric materials for the piezoelectric ceramics, piezoelectric material and friction materials shall meet certain requirements. The ultrasonic motor also has some defec

5、ts to be improved, but the future for ultrasonic motor is bound to be the development in all fields, and extremely wide use.Key words ： Ultrasonic motor Experience Inverse piezoelectric effectVibration Standing wave Traveling wave Piezoelectric materialDefect development目錄引言 51、超聲電機的發(fā)展與當(dāng)今的應(yīng)用 62、超聲電機

6、工作原理 82.1 逆壓電效應(yīng) 82.2 橢圓運動 92.3 行波產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子運動的形成 103、超聲電機壓電材料和摩擦材料 123.1 壓電材料概述 123.2 超聲電機用壓電材料 123.3 所用壓電材料的性能 123.4 摩擦材料 134、超聲電機的未來 134.1 超聲電機未來的應(yīng)用 134.2 超聲電機未來亟待完善之處 13結(jié)語 14參考文獻 142013.1015引言超聲電機起于上世紀(jì)八十年代， 具有力矩 / 質(zhì)量比大，結(jié)構(gòu)緊湊，低速大扭矩， 響應(yīng)快， 電磁兼容性和控制性能好等突出優(yōu)點； 并已在機器人、精密儀器儀表、醫(yī)療器械、航空航 天及新型武器裝備等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。超聲電機對我

7、們的國防事業(yè)有著潛在的促進作 用。未來中國的導(dǎo)彈不僅要打得遠(yuǎn)、威力大，還要打得準(zhǔn)，打的巧。超聲電機用于我國彈道 導(dǎo)彈的末端控制之中， 不僅能提高現(xiàn)有導(dǎo)彈的精度， 而且通過改造已有產(chǎn)品降低了生產(chǎn)成本， 制導(dǎo)炮彈的發(fā)展中， 在其負(fù)載能力加以改進下也能用于炮彈飛行的控制中去， 配合制導(dǎo)系統(tǒng)， 讓炮彈不僅“跑”的快、眼睛亮，而且會“急轉(zhuǎn)彎” 。超聲電機理論、方法、制作、應(yīng)用、研究都取得豐富的成果，然而諸多本科生對此并不 了解，而趙敦生教授的講座介紹了超聲電機的原理以及其在軍民各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用， 給了我 們深刻的啟迪。 由于能力有限， 僅對一些概論性、 原理性知識加以總結(jié)。并對一些細(xì)節(jié)加以 學(xué)習(xí)和報告。

8、因而論文報告內(nèi)容包括超聲電機的發(fā)展、特點、 基本原理、 所需的振動理論進 行介紹， 并對壓電材料、 機械摩擦材料進行簡單的學(xué)習(xí)報告， 最后對超聲電機的未來進行展 望。1、超聲電機的發(fā)展與當(dāng)今的應(yīng)用超聲電機( ultrasonic motor ， USM)是一種全新概念的微特電機。它利用壓電材料的 逆壓電效應(yīng)， 激發(fā)彈性體在超聲頻段內(nèi)微振幅震動， 通過定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦讓轉(zhuǎn)子做旋 轉(zhuǎn)(直線)運動。圖 2 lavrinenco 發(fā)明的超聲電機超聲電機起源于上世紀(jì)八十年代。 1948年 Williams 和 Brown 的“壓電馬達(dá)”點燃了研 究超聲電機的火花。 1961年，日本利用音叉往復(fù)位移驅(qū)

9、動鐘表齒輪（圖1），頻率 360Hz，月誤差一分鐘，刷新了當(dāng)時的紀(jì)錄，開創(chuàng)了人類利用彈性振動獲取動力的先河。1965年，前蘇聯(lián)的 Lavrinenco 提出了如圖 2所示的超聲電機， 利用壓電板的振動驅(qū)動轉(zhuǎn)子， 并申請了國家 專利，歸納出超聲電機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、低俗大扭矩、能量密度大、運動精確、能量 轉(zhuǎn)換效率高等特性。 1973年， IBM 公司的 Barth 提出了用圖 3所示的具有現(xiàn)代超聲電機原理 的結(jié)構(gòu)方案。 他利用壓電元件使一種具有牛角尖形的壓電振子產(chǎn)生振動。 通過壓電振子的牛 角尖端與轉(zhuǎn)子表面接觸， 摩擦來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 后來人們又做出了利用彈簧將矩形壓電復(fù)合 板的邊緣壓在轉(zhuǎn)子

10、上，通過激發(fā)板的縱向振動模態(tài)驅(qū)動轉(zhuǎn)子。如圖4。圖 3 Barth 提出的超聲電機圖 4 超聲電機1981年，立陶宛 Vasiliev 成功成功構(gòu)造出了一種能夠驅(qū)動較大負(fù)載的超聲電機，這種 電機定子為一個在兩個金屬塊之間夾緊壓電元件所組成的超聲換能器。 用該換能器激發(fā)與轉(zhuǎn) 子接觸的振動片的縱向震動。 通過此震動片與轉(zhuǎn)子間的摩擦來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 這種結(jié)構(gòu)不僅 能降低共振頻率， 而且能放大振幅。 該電機被用來驅(qū)動唱片機的轉(zhuǎn)盤， 成為當(dāng)時最先被實際 應(yīng)用的壓電驅(qū)動器。 1982年，日本 Sashida 在其基礎(chǔ)上， 提出并制造了駐波型壓電超聲電機。 后來，他又于 1983 年制造了行波形超聲電機。原理

11、如圖 5所示。后來， Sashida 根據(jù)行波超 聲電機的原理，首先提出了兩種直線電機，一種是環(huán)梁式（圖6），一種是直梁式（圖 7）。1987年，Sashida 創(chuàng)建了 Shinsei 工業(yè)公司， 正式把行波超聲電機作為商品出售。 Canon圖 5 Sashida 提出的行波超聲電機圖 6 Sashida 提出的環(huán)梁式直線電機圖 7 Sashida 提出的直梁式直線電機EOS（電子光學(xué)系統(tǒng)）相機鏡頭調(diào)焦系統(tǒng)中標(biāo)公司將其研發(fā)的環(huán)形行波超聲電機正式應(yīng)用到 志著超聲電機開始走向?qū)嵱秒A段。超聲電機的研究在我國始于二十世紀(jì)九十年代，清華大學(xué)、浙大、南京航空航天大學(xué)、 哈工大等相繼展開了相應(yīng)的研究， 并取

12、得了可喜的成果。 南京地區(qū)， 南航的超聲電機做得最 好，并且申請獲得了國家重點實驗室 （合用），說明其在超聲電機方面達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。 更重要的是其已經(jīng)和企業(yè)聯(lián)合， 將其研發(fā)成果產(chǎn)業(yè)化。 而且， 趙教授團隊研發(fā)的超聲電機技 術(shù)，將應(yīng)用于我國的人造衛(wèi)星和“嫦娥三號”登月車。他們研發(fā)的超聲電機具有重量輕、噪 音小、響應(yīng)快、不受電磁干擾等優(yōu)點，傳統(tǒng)電磁電機為 187克，超聲電機只有 55克，而人造 衛(wèi)星上是“一克重量一克金”。 拒其介紹， 其研制的超聲電機應(yīng)用于東南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程 科研項目中的細(xì)胞穿刺， 幫助后者獲得了國家獎項。 目前趙教授團隊研制的超聲電機已經(jīng)應(yīng) 用于中國核聚變重大工程等項目中

13、。下面則是超聲電機的主要應(yīng)用。器光學(xué)儀照相機、攝像機、顯微鏡汽車 機、航空航座椅調(diào)節(jié)電機、頭靠調(diào)節(jié)電機、計價器電機、電子反光鏡等天飛機飛艇等自動天線電機、自動門鎖電機、自動窗電機、頂板調(diào)節(jié)電工業(yè)控制鏜床、磨床、機器人等醫(yī) 療 器 生物材料微型操作器、計量設(shè)備、微型噴嘴、沖擊發(fā)生器、腎結(jié)石破碎治療機、器官超聲械等 掃描器民 用 產(chǎn) 壓縮機、電子手表、IC 、 LSI 等數(shù)控機器、印刷線路加工、檢測器、晶片元件、半導(dǎo)體片、 品 窗簾自動器2、超聲電機工作原理2.1 、逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)： 某些晶體在機械作用下會像在電場作用下一樣， 發(fā)生極化， 導(dǎo)致介質(zhì)兩個 端面出現(xiàn)極性相反的束縛電荷， 其電荷密

14、度與歪理成正比。 這種由于機械應(yīng)力的作用而使晶 體發(fā)生形變的現(xiàn)象，成為正壓電效應(yīng)，逆壓電效應(yīng)： 將一塊晶體置于外電場中， 在其作用下， 晶體內(nèi)部正負(fù)電荷的重心會發(fā)生 位移。這一極化位移會導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。 這種由于外電場的作用而使晶體發(fā)生形變的現(xiàn)象 成為逆壓電效應(yīng)。超聲電機正是利用逆壓電效應(yīng)進行工作的，如圖 9，在壓電體上下表面施加正向電壓。 即在壓電體表面形成上正下負(fù)的電場， 壓電體在長度方向伸張； 反之， 若在壓電體上下表面 施加反向電場， 則其在長度方向會收縮。 故施加交變電場時， 在壓電體中就會激發(fā)出某種模 態(tài)的彈性振動。 當(dāng)外電場的交變頻率與壓電體的機械諧振頻率一致時， 壓電體進入機

15、械諧振 狀態(tài)。成為壓電振子。 超聲電機使用的壓電體機械諧振頻率在 20kHz 以上，故產(chǎn)生超聲振動。圖 9 逆壓電效應(yīng)示意2.2 、橢圓運動借助摩擦后才具有連續(xù)的定向根據(jù)所學(xué)物理知識， 我們知道振動位移的軌跡為橢圓時，驅(qū)動力。設(shè)定子在靜止?fàn)顟B(tài)下與轉(zhuǎn)子表面有一微小間隙。 當(dāng)定子產(chǎn)生超聲振動時， 其上的接觸摩 擦點 A 做周期運動， 軌跡為一橢圓。 當(dāng) A點運動到橢圓的上半圓時，將于轉(zhuǎn)子表面接觸。并 通過摩擦作用撥動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)： 當(dāng) A 點運動到橢圓的下半圓時， 將與轉(zhuǎn)子表面脫離， 并反向回 程。如果這種橢圓運動連續(xù)不斷地進行下去。 則對轉(zhuǎn)子具有連續(xù)的定向撥動作用。 從而使轉(zhuǎn) 子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。 因

16、此， 超聲電機定子的任務(wù)就是采用合理的結(jié)構(gòu)， 通過各種振動組合來 形成橢圓運動。形成橢圓振動，只要在空間上形成兩個相互垂直的振動ux 和 uy，均是由諧振動形成，振動角頻率為 0，振幅分別為 A1、A2，時間相位差為 ，兩個方向振動方程如下。ux A1sin(w0t)式 2.2.1uy A2sin(w0t)從中消去時間 t ，有A12uxuyA1A2cosA22sin式 2.2.2可見當(dāng) =n（ n=0，± 1，± 2，± 3，）時，兩個位移同向運動，合成軌跡為一條直 線；當(dāng) n時，其軌跡為一橢圓，并且在 =n±/2 時為一標(biāo)準(zhǔn)橢圓。相位差不同時 的橢圓

17、形態(tài)如圖 10。其他情形可以按上式推得。可見，相位差決定了橢圓運動的旋轉(zhuǎn)方向。圖 10 不同相位差時的橢圓形態(tài)當(dāng)相位差為正時， 橢圓運動為順時針， 反之為逆時針。 故也決定了超聲電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向。2.3 行波的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子運動的形成面討論了一個質(zhì)點橢圓運動的作用。 單靠一個質(zhì)點不足推動轉(zhuǎn)子并驅(qū)動一定的負(fù)載， 而行 波運動則可以滿足要求。 根據(jù)波動學(xué)理論，兩路幅值相等、頻率相同、 空間和時間均相差 /2 的兩相駐波疊加后，將形成一個合成行波。如圖 11 所示，將極化方向相反的壓電壓粘結(jié)在彈性體上。當(dāng)在壓電體極化方向施加交 變電壓時，壓電體在長度方向上產(chǎn)生交替伸縮變形，在一定的激振電壓頻率0 下，

18、彈性體將產(chǎn)生如圖 9-5 ( b)所示的駐波，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為2y Asin xsin 0t式 2.3.1式中 x 為橫坐標(biāo)， y 為縱坐標(biāo)， A 為駐波波幅， 為駐波波長。圖 11 駐波形成示意圖若在壓電體上同時存在著兩相駐波 , 波幅同為 A，頻率也同為 0，波長同為 。在時間 空間上都相差 /2 時，則容易求得合成的波為：2y y1 y2 Acos( x0t)式 2.3.2此乃一角頻率為 0、波幅為 A、波長為 的行波。問題是怎么形成這兩相合適的駐波。 事實上，在彈性體分為兩部分， 使其空間上差四分之一波長也滿足空間相差/2 ，其次，時間上上也想差 /2 即可達(dá)到目的。例如圖 12 所示的

19、環(huán)狀彈性體，分為 A、B兩部分，空 間相差 /4 。加以時間上的這樣就形成了圖 13 所示的行波，達(dá)到了形成行波的目的。圖 12 產(chǎn)生空間間隔示意圖 13 彈性體中形成的行波設(shè)彈性體厚度為 h。由式 2.3.2 ，可知在任意時刻 t ，彈性體表面點的縱向運動為2uy Acos( x w0t)式 2.3.3橫向振動位移為h y hA 2ux sin( x0t)2 x 式 2.3.4 由以上二式易知彈性體表面上任意一點運動軌跡為橢圓形， 由此彈性體表面質(zhì)點對轉(zhuǎn)子 產(chǎn)生連續(xù)的定向撥動作用。而且，轉(zhuǎn)子的運動方向與行波方向相反。如圖 13 所示。若定子 與轉(zhuǎn)子之間無相對滑動(實際有相對滑動導(dǎo)致速度大小減

20、小) ，那么兩者速度大小相等。則 彈性體表面質(zhì)點橫向運動的速度為hA 0 2v cos( x0t)式 2.3.5最大速度應(yīng)該出現(xiàn)在波峰或波谷處。 在表面處， 質(zhì)點無縱向速度， 所以橫向運動速度為hAvmax時 2.3.6以上是超聲電機的基本工作原理，雖然振動定子表面振動微小，但定子和轉(zhuǎn)子之間的膜由于篇幅有限， 部分推導(dǎo)公式或中間步驟材使微觀運動耦合放大， 形成了宏觀的機械運動。 予以省略。3、超聲電機壓電材料和摩擦材料3.1 壓電材料概述逆壓電效應(yīng)則恰恰相壓電材料是指受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。反，受到外電場作用時產(chǎn)生變形，因而在交變電場作用下產(chǎn)生機械振動。3.2 超聲電機用

21、壓電材料超聲電機用的壓電材料主要是壓電陶瓷。 壓電陶瓷是指用必要成份的原料進行混合、 成 型、高溫?zé)Y(jié)， 由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過程而獲得的微細(xì)晶粒無規(guī)則集合而成的多晶 體。壓電陶瓷是把電能換為機械能的換能材料，是超聲電機工作的基礎(chǔ)。3.3 所用壓電材料性能超聲電機的功率大，因此要求壓電材料必須具有以下性能：（1）在強場下具有小的介電損耗 tan 和大的機械品質(zhì)因數(shù) Qm ； （2）大的機電耦合系數(shù) kp ，使得能量轉(zhuǎn)換效率高并兼有一定的壓電常數(shù)d33；（ 3）具有大的機械強度， 在定子高頻振動下， 要求陶瓷不斷裂、 不發(fā)生退極化等現(xiàn)象。 （4）具有良好的形變和電壓線性應(yīng)變。（5）具有好的

22、穩(wěn)定性，包括時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。（ 6）適用頻率范圍較寬。（ 7）居里點較高。實際應(yīng)用中， 上述性能相互制約， 故壓電陶瓷的性能也是在矛盾的不斷解決協(xié)調(diào)中穩(wěn)步 提高。在一些特殊環(huán)境中，如航空航天、機器人、導(dǎo)彈的末端制導(dǎo)等高溫環(huán)境，就要求壓電 材料具有很高的居里點。同時低溫環(huán)境也對材料有一定要求，在此不再贅述。3.4 摩擦材料摩擦材料是超聲波電機輸出力矩的媒介， 利用界面摩擦， 超聲電機能夠具有斷電自鎖能 力和高自鎖扭矩， 其特性對對超聲電機的輸出力矩、 工作噪聲和使用壽命直接影響。 超聲電 機使用壽命較短， 而且一般不能夠長時間連續(xù)工作。 因而通過改進摩擦材料來提高其使用壽 命是目前一個研

23、究方向。 摩擦材料切向變形是造成電機定轉(zhuǎn)子界面出現(xiàn)粘滯現(xiàn)象和能量損耗 的主要原因。 摩擦材料硬度對電機的速度和推進力都有影響， 而且摩擦材料的摩擦因數(shù)越高， 超聲電機速度損失越小。4、超聲電機的未來4 、1 超聲電機未來的應(yīng)用專家預(yù)言二十一實際將是超聲電機大放光芒的時代， 它將有可能部分取代微小型、 小型 傳統(tǒng)電機而得到更廣泛的應(yīng)用。 對超聲電機未來發(fā)展趨勢， 我結(jié)合所聽報告總結(jié)為以下幾點：1 、未來超聲電機將實現(xiàn)微型化、集成化，將在我國人造衛(wèi)星領(lǐng)域有更好的適應(yīng)性，提高我國航天航空水平和國防實力。2 、超聲電機將應(yīng)用于機器人，減輕其重量，簡化其結(jié)構(gòu)，增強其可控性。將大大推動機器 人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。3 、應(yīng)用于醫(yī)療器械領(lǐng)域， 如手術(shù)刀控制和人造心臟驅(qū)動器， 它也將大大推動醫(yī)療水平的發(fā) 展。4 、磁懸浮列車上的傳統(tǒng)電機受到列車上強磁場干擾， 限制其發(fā)展。 而超聲電機在此領(lǐng)域也 大有作為。5 、超聲電機應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如導(dǎo)彈（包括制導(dǎo)炸彈和制導(dǎo)炮彈）末端控制、核彈頭等方 面。同時用以改造現(xiàn)有的精度較低的導(dǎo)彈和普通炮彈，將是這些兵器再次煥發(fā)光彩。6 、應(yīng)用于計算機領(lǐng)域， 比如計算機中光盤驅(qū)動以及硬盤、軟盤的運動，都是超聲電機得以 用武之處。4.2 超聲