第6章超聲波電動機

超聲波電動機UltrasonicMotor特種電機及其控制超聲波電動機(UltrasonicMotor，簡稱USM)是近年來發(fā)展起來的一種全新概念的驅動裝置，它利用壓電材料的逆壓電效應(即電致伸縮效應)，把電能轉換為彈性體的超聲振動，并通過摩擦傳動的方式轉換成運動體的回轉或直線運動。這種新型電機一般工作于20kHz以上的頻率，故稱為超聲波電動機。1超聲波電機的基本原理上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)超聲波電動機的不同命名：如振動電動機(VibrationMotor)、壓電電動機(PiezoelectricMotor)、表面波電動機(SurfaceWaveMotor)、壓電超聲波電動機(PiezoelectricUltrasonicMotor)、超聲波壓電驅動器/執(zhí)行器(Ultrasonicpiezoelectricactuator)等等。

特種電機及其控制1.1超聲波電機的結構上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)特種電機及其控制上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)超聲波電動機由定子(振動體)和轉子(移動體)兩部分組成但電機中既沒有線圈也沒有永磁體，其定子由彈性體(Elasticbody)和壓電陶瓷(Piezoelectricceramic)構成轉子為一個金屬板。定子和轉子在壓力作用下緊密接觸，為了減少定、轉子之間相對運動產生的磨損，通常在二者之間(在轉子上)加一層摩擦材料。特種電機及其控制上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)工作原理：對極化后的壓電陶瓷元件施加—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，從而在定子彈性體內激發(fā)出超聲波振動，這種振動傳遞給與定子緊密接觸的摩擦材料以驅動轉子旋轉。特種電機及其控制上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)當對粘接在金屬彈性體上的兩片壓電陶瓷施加相位差為90電角度的高頻電壓時，在彈性體內產生兩組駐波，這兩組駐波合成一個沿定子彈性體圓周方向行進的行波，使得定子表面的質點形成一定運動軌跡(通常為橢圓軌跡)的超聲波微觀振動，其振幅一般為數(shù)微米，這種微觀振動通過定子(振動體)和轉子(移動體)之間的摩擦作用使轉子(移動體)沿某一方向(逆行波傳播方向)做連續(xù)宏觀運動。特種電機及其控制上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)2超聲波電機的發(fā)展超聲波電動機的發(fā)展大體可分為以下三個階段：探索階段(1948年——20世紀70年代末)USM原型出現(xiàn)實用化階段(20世紀70年代末——80年代末)

商用USM產品出現(xiàn)深層次研究(20世紀90年代——)

機理、材料、結構、驅動控制、應用多樣化特種電機及其控制上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)1.探索階段(1948年——20世紀70年代末)1）超聲波電動機的概念出現(xiàn)于1948年，英國的Williams和Brown申請了“壓電電動機(PiezoelectricMotor)”的專利，提出了將振動能作為驅動力的設想，然而由于當時理論與技術的局限，有效的驅動裝置未能得以實現(xiàn)。特種電機及其控制2）1961年，BulovaWatchLtd．公司首次利用彈性體振動來驅動鐘表齒輪，工作頻率為360Hz，這種鐘表走時準確，每月的誤差只有一分鐘，打破了那個時代的紀錄，引起了轟動。特種電機及其控制3）前蘇聯(lián)學者V.V.Lavrinenko于1964年設計了第一臺壓電旋轉電機，此后前蘇聯(lián)在超聲波電機研究領域一度處于世界領先水平，如設計了用于微型機器人的有2或3個自由度的超聲波電機、

人工超聲肌肉及超聲步進電機等。不過，由于語言等方面的原因,前蘇聯(lián)的一些重要研究成果并未被西方科學界所充分了解。特種電機及其控制4）美國IBM公司的Barth也在1973年提出了一種超聲波電動機的模型，從而使這種新型電機可以實現(xiàn)真正意義上的工作。

特種電機及其控制2.實用化階段(20世紀70年代末——80年代末)1978年，前蘇聯(lián)的Vasiliev成功地構造了一種能夠驅動較大負載的壓電超聲波電動機，這種電機使用由位于兩個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子接觸的振動片縱向振動，通過振動片與轉子間的摩擦來驅動轉子轉動。這種結構的優(yōu)點在于不僅能降低共振頻率，而且能放大振幅，遺憾的是，這種電機在運轉時由于溫度的升高、摩擦及磨損等原因，很難保持振動片的恒幅振動。上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)特種電機及其控制日本的T.Sashida在Vasiliev的研究基礎上，于1980年提出并成功地制造了一種駐波型超聲波電動機。該電機使用Langevin激振器，驅動頻率為27.8kHz，電輸入功率為90W，機械輸出功率為50W，輸出扭矩為0.25Nm，首次達到了能夠滿足實際應用的要求，但由于振動片與轉子的接觸是固定在一個位置上，仍存在著接觸表面上摩擦和磨損等問題。特種電機及其控制1982年，Sashida又提出并制造了另一臺超聲波電動機——行波型超聲波電動機，從原來的由駐波定點、定期推動轉子變換成由行波連續(xù)不斷地推動轉子，大大地降低了定子與轉子接觸面上的摩擦和磨損。這種電機能夠運轉的實質就是定子表面的質點形成了橢圓運動。之后，在日本掀起了利用各種振動模態(tài)的研究熱潮，如利用縱向、彎曲、扭轉等振動來獲得橢圓運動。這種電機的研究成功，為超聲波電動機走向實用階段奠定了基礎。上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)特種電機及其控制1987年，行波超聲波電動機終于達到了商業(yè)應用水平。此后許多超聲波電動機新產品不斷地研制出來并推向市場。到20世紀80年代中期日本已形成三個系列的超聲波電動機：即日立馬克賽爾公司的駐波扭轉耦合器系列、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，ElectroMechanicalSystems公司也推出了英國第一個商用超聲波電動機系列產品——USR30。特種電機及其控制3.深層次研究(20世紀90年代——)在20世紀80年代，國外的研究工作主要集中在研究新的驅動機理、構造新的結構形式、開發(fā)新型電機等方面，著重于動力傳輸?shù)膶崿F(xiàn)，尚未能顧及到性能的改善。由于對超聲波電動機的基礎理論研究得不夠透徹，沒有形成完整的設計理論，使超聲波電動機的研究帶有一定程度的盲目性。直到90年代后，超聲波電動機的建模、性能預測等理論問題才開始引起關注，但至今尚無系統(tǒng)的論述。目前，世界各國對超聲波電動機的研究極為活躍，超聲波電動機的研究趨向多元化。例如，美國利用其先進的材料和IC工藝研制出的微型超聲波電動機，其尺寸僅有數(shù)百微米(250m500m2m)，驅動電壓的典型值是5V，最低為1.5V，轉速為150r/min。而大型超聲波電動機的扭矩達400Nm。上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)特種電機及其控制我國超聲電機的研究始于20世紀90年代，清華大學、浙江大學、吉林大學、南京航空航天大學、中科院長春光機所、哈爾濱工業(yè)大學等先后開展了超聲電機的研究，并取得了可喜的成果。1989年，清華大學周鐵英、董蜀湘等申請了國內首項關于超聲電機的發(fā)明專利，并在微型超聲電機領域取得了一系列的研究成果，下圖為周鐵英研制的直徑1mm的微型圓柱式超聲電機，最高轉速1800r/min，最大輸出扭矩4μNm。特種電機及其控制浙大研制的直徑80mm、長110mm、最大輸出扭矩13.2Nm、空載轉速12.6r/min的超聲電機。吉林大學在壓電精密驅動技術方面獲得了顯著的成果，圖為其研制的步進式壓電精密驅動器，能夠實現(xiàn)高頻率(30Hz)、高速度(380μrad/s)、大行程(>270°)、高分辨率(1μrad/step)驅動。哈爾濱工業(yè)大學研制的超聲電機專用摩擦材料已經滿足了工程應用的需要。特種電機及其控制3超聲波電機的特點超聲波電動機將電致伸縮、超聲振動、波動原理這些毫不相干的概念與電機聯(lián)系在一起，創(chuàng)造出一種完全新型的電動機。(1)結構緊湊、設計靈活，轉矩密度大（其轉矩密度可達到傳統(tǒng)電機的5-10倍），可以實現(xiàn)電機的短、小、薄。

(2)低速大轉矩，無需齒輪減速機構，可以實現(xiàn)直驅。由此可大大減小齒輪減速箱所引起的體積和重量的增加、振動和噪聲的影響，能量的損耗以及傳動帶來的誤差，大大提高系統(tǒng)的定位精度和響應速度。(3)反應速度快，超聲波電動機靠摩擦力驅動，移動體（轉子）質量較輕，慣性小，響應速度快，起動和停止時間為毫秒量級，能斷電自鎖。特種電機及其控制(4)位置和速度控制特性好，位移分辨率高。在伺服系統(tǒng)中容易實現(xiàn)微米級甚至納米級的控制精度。(5)不產生電磁干擾，也不受電磁感應影響。特別適合強磁場下的工作環(huán)境。在對EMI(電磁干擾)要求嚴格的環(huán)境下，采用超聲波電機也很合適。(6)低噪聲運行。超聲波電機工作頻率一般大于20kHz，超出人類聽覺范圍，而且電機結構簡單，無減速機構，運行時很安靜，噪聲在45dB以下(7)如果設計合理，壓電材料和摩擦材料選用合適，可在真空、高/低溫極端環(huán)境下工作。特種電機及其控制超聲波電動機的缺點(1)功率小、效率低。超聲波電機工作時存在兩個能量的轉換過程：一是電能轉化為定子振動的機械能；二是通過摩擦作用將定子的微幅振動轉化為轉子的宏觀單向運動。兩個過程都存在能量損耗，因此效率低，一般旋轉型行波超聲波電機的效率在30%左右，輸出功率小于50W。(2)壽命短，不適合連續(xù)運轉的應用場合。由于定、轉子之間通過摩擦傳遞能量，摩擦界面上存在磨損問題。此外定子的高頻振動會導致壓電材料的疲勞損壞，功率大、溫度高時更為嚴重。(3)對驅動信號的要求較高。對施加在壓電材料上的激勵信號的幅值、頻率、相位都有一定的要求。特種電機及其控制4超聲波電機與電磁電機的比較(1)電機的負載特性與效率特種電機及其控制(2)電機的能量轉化和微型化特種電機及其控制(3)電機的響應特性特種電機及其控制5超聲波電動機的分類特種電機及其控制6超聲波電動機的常見結構(1)環(huán)狀或盤式行波型超聲波電動機由底部粘接著壓電陶瓷元件的環(huán)狀定子和環(huán)狀轉子構成。對極化后的壓電陶瓷元件施加—定的高頻交變電壓，在定子彈性體中形成沿圓周方向的彎曲行波。對定、轉子施加一定的預壓力，轉子受到與行波傳播方向相反的摩擦力作用而連續(xù)轉動，定子上的齒槽用于改善電機的工作性能。

特種電機及其控制上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)(2)直線式行波型超聲波電動機雙Langevin振子型：利用兩個Langevin壓電換能器，分別作為激振器和吸振器，當吸振器能很好地吸收激振器端傳來的振動波時，有限長直梁似乎變成了—根半無限長梁，這時，在直梁中形成單向行波，驅動滑塊作直線運動。當互換激振器與吸振器的位置時，形成反向行波，實現(xiàn)反向運動。單軌型直線超聲波電動機，把金屬兩端焊接起來形成田徑跑道狀的定子軌道，并在上面設置具有壓緊裝置的移動體(滑塊)。壓電陶瓷片粘在導軌的背面，通過兩相時間、空間互差90電角度的壓電陶瓷橫向伸縮，在封閉的彈性導軌中激發(fā)出由兩個同頻駐波疊加而成的行波，以此驅動壓緊在導軌上的滑塊做直線運動。

特種電機及其控制上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)(3)駐波型超聲波電動機Sashida研制的楔形駐波型超聲波電動機:由Langevin振子、振子前端的楔形振動片和轉子三部分組成。振子的端面沿長度方向振動，楔形結構振動片的前端面與轉子表面稍微傾斜接觸(夾角為)，誘發(fā)振動片前端產生向上運動的分量，產生橫向共振，縱橫振動合成的結果，使振動片前端質點的運動軌跡近似為橢圓。振動片向上運動時，振動片與轉子接觸處的摩擦力驅動轉子運動；向下運動時，脫離接觸，沒有運動的傳遞，轉子依靠其慣性保持方向向上的運動狀態(tài)。這種電機設計簡單，但存在兩個缺點：在振動片與轉子接觸處磨損嚴重；轉子轉速較難控制，僅能單方向旋轉。特種電機及其控制日立Maxell公司的改進型駐波超聲波電動機，采用機械扭轉連接器取代了楔形振動片，借助扭轉連接器將壓電振子產生的縱向振動誘發(fā)出扭轉振動，兩種振動在扭轉連接器前端合成質點橢圓運動軌跡，驅動轉子旋轉。這種電機轉速達到120r/min，輸出轉矩1.3Nm，能量轉換效率為80％，超過傳統(tǒng)電磁型電機。(3)駐波型超聲波電動機采用扭轉連接器的駐波型超聲波電動機

特種電機及其控制駐波超聲波電動機是利用在彈性體內激發(fā)的駐波來驅動移動體移動。但是，單一的駐波并不能傳遞能量，因為彈性體表面質點作同相振動。因此，駐波型超聲波電動機通過激發(fā)并合成相互垂直的兩個駐波，使得彈性體表面質點作橢圓振動，直接或間接地驅動移動體運動而輸出能量。根據(jù)激勵兩個駐波振動的方式不同,駐波超聲波電動機分為縱扭振動復合型:采用兩個獨立的壓電振子分別激發(fā)互相垂直的兩個駐波振動，合成彈性體表面質點的橢圓振動軌跡。模態(tài)轉換型：模態(tài)轉換型僅有一個壓電振子激發(fā)某一方向的振動，再通過一個機械轉換振子同時誘發(fā)與其垂直的振動，二者合成彈性體表面質點的橢圓振動軌跡，驅動移動體運動。（如前兩例）特種電機及其控制縱扭復合型超聲波電動機結構——定子由兩個獨立的振子所組成：縱向振子控制定子與轉子之間的摩擦力(正壓力)；扭轉振子控制輸出轉矩。由于兩種復合運動可獨立控制，所以其輸出轉矩大，工作穩(wěn)定，可雙向運動，并且為設計者提供了較大的設計空間。

特種電機及其控制特種電機及其控制（4）非接觸式超聲波電動機

定子與轉子之間不直接接觸，而是在它們之間填充一種介質：液體或氣體。當定子振動時，也就引起了介質的振動，在介質與轉子的接觸面就形成了摩擦力，從而驅動轉子運轉。非接觸式超聲波電動機是以犧牲轉矩為代價的，其驅動力都很小。東京工業(yè)大學TohgoYamazaki等研制的圓筒型非接觸式超聲波電動機。其定子由硬鋁制成，定子圓筒長為16.5mm、內徑56mm、外徑61.8mm，并由兩個Langevin振子激勵，形成行波。筒型轉子放置在定子筒內。當定子產生行波時，轉子懸浮起來并沿著行波前進方向旋轉。驅動電源的頻率為26kHz，電機的最高轉速可達3000r/min。由于采用了Langevin振子，電機結構變得復雜，占有的空間較大，而且形狀不規(guī)則，因而限制了它的應用場合。

特種電機及其控制(5)多自由度超聲波電動機三自由度超聲波電機兩自由度超聲波電動機電機由球形轉子、兩對徑向定子等組成。定子是一個短圓柱體，用等截面梁穿過定子來施加軸向力，使得定子與轉子緊密接觸。利用粘貼在定子上的壓電陶瓷同時在定子上激發(fā)出兩個在空間互相垂直的振動模態(tài)，兩個模態(tài)合成使得定子側表面產生行波，從而通過摩擦接觸驅動球形轉子轉動。兩對徑向定子置于一個平面內不同的位置，這樣電機就可得到兩個自由度的運動。

特種電機及其控制上一頁下一頁返回上一節(jié)下一節(jié)7行波型超聲波電動機的驅動控制(1)控制電壓幅值。在一定范圍內，驅動電壓幅值與駐波振幅呈線性關系，因此通過調節(jié)壓電陶瓷元件的激勵電壓，可以實現(xiàn)線性調速。但調速范圍受到限制。電壓過低,壓電元件不會起振;電壓過高,又會接近壓電元件的工作極限。特種電機及其控制行波USM的常用控制方式:(2)變頻控制,通過調節(jié)諧振點附近的頻率控制速度和力矩,因為電機動作點在諧振點附近,且調頻具有響應快的特點。變頻調速對超聲電機較為合適。特種電機及其控制行波USM的常用控制方式:(3)

相位差控制,改變兩相電壓的相位差,從而改變定子表面質點的橢圓運動軌跡。但低速啟動困難,驅動電源設計較為復雜。特種電機及其控制8超聲波電動機的應用8.1在照相機上的應用1990年佳能公司開發(fā)了環(huán)形超聲電機，如圖所示，其轉速為37r/min，扭矩為0.03N·m。特種電機及其控制環(huán)形超聲電機作為佳能公司中高級鏡頭使用的對焦電機，啟動和制動的速度比傳統(tǒng)的對焦電機快。由于環(huán)形超聲電機具有低速大扭矩的特點，可以實現(xiàn)直接驅動。較大的自鎖扭矩，使得超聲電機停轉后，能迅速自動鎖住鏡頭。環(huán)形超聲電機的構造極其簡單，運轉時沒有聲音，具有優(yōu)異的啟停響應和控制性能。高效率和低功耗使得鏡頭的轉動可以直接利用照相機的電池供電。1992年，佳能又推出了適于大規(guī)模自動化生產的價格低廉的小型桿式超聲波電機。特種電機及其控制特種電機及其控制8.2在手機上的應用韓國的三星公司將長為5mm，直徑為1.6mm的兩個超聲電機應用于手機照相系統(tǒng)中，在增加極少重量和體積的情況下，安裝了手機的光學變焦機構，能達到4倍光學變焦。特種電機及其控制8.3在手表上的應用日本精工公司早在1991年就推出了一款配置微型超聲電機的手表。但這個超聲電機的不足之處是驅動電路和電機的結構過于復雜，而且很難進一步小型化。為了簡化結構，精工公司采用了駐波型超聲電機，1996年成功地將直徑為8mm的這種超聲電機用于手表的振動報警，振動是由電機的轉子偏心質量塊轉動產生的離心力引起的。特種電機及其控制目前帶日歷的手表中，傳統(tǒng)的日歷驅動機構需要一個步進電機和多級減速齒輪，以產生較大的扭矩推動日歷輪轉動。這就使得整套日歷機構復雜，運動部件的尺寸也較大。為了解決這個問題，精工公司研制了一種超聲電機，用它作為日歷的驅動機構。這個直徑為4.5mm，厚度為2.5mm的超聲電機的啟動扭矩是0.02mN·m，不帶負載的轉動速度為2000r/min，驅動頻率約為630kHz。啟動扭矩是傳統(tǒng)手表中電磁步進電機的10倍。特種電機及其控制8.4在醫(yī)療器械上的應用美國加州大學研制的智能藥片特種電機及其控制8.5在汽車上的應用特種電機及其控制8.6在機器人上的應用特種電機及其控制日本愛普生公司利用自行研制的世界上最薄的超聲電機來驅動的昆蟲機器人。其質量只有12.5g，每秒可移動150mm，超聲電機的厚度只有0.04mm。日本愛普生公司利用同樣的超聲電機開發(fā)的世界上最小最輕的空中機器人。它的最大直徑約為136mm，高度約為85mm，加上電池的質量為12.3g，持續(xù)飛行時間為3min。它運用了藍牙無線控制技術，能夠進行獨立飛行。它由兩個高性能超薄型超聲電機分別驅動兩個旋轉方向相反的槳葉，獲得升力。特種電機及其控制日本慶應大學研制的超聲電機驅動五指靈巧手。五指靈巧手有20個關節(jié)(自由度)，每個關節(jié)均采用雙端輸出的外徑為30mm，輸出軸徑為4mm的超聲電機驅動。超聲電機全部置于手掌內，可以完成強力抓取和精確抓取，整個靈巧手的質量僅為853g。在此之前，有文獻記載的采用傳統(tǒng)電機驅動的最輕靈巧手質量為1400g。由于超聲電機具有響應快的特點，使得機器手的反應速度比人手還快。特種電機及其控制8.7在航空航天上的應用NASA將超聲電機用于空間機器人技術CoddarSpaceFlightCenter將超聲電機應用于空間機器人技術。其中微型機器手MicroArmI使用了具有力矩0.05N·m的超聲電機?；鹦菣C器手MarsArmII使用了3個具有力矩為0.68N·m和一個具有0.11N·m的超聲電機特種電機及其控制特種電機及其控制9超聲波電機存在的問題及研究重點USM與傳統(tǒng)電磁式電機相比有無可替代的優(yōu)點，但是它也存在一些問題：(1)控制困難:從理論上來說，目前超聲波電機仍然沒有一個準確的數(shù)學模型來對其振動過程和運動過程進行系統(tǒng)的描述。由于壓電材料的特殊性、摩擦發(fā)熱和環(huán)境變化等問題，驅動轉子的摩擦力將產生嚴重的非線