《超声波电动机》ppt课件

1、第九章第九章 超声波电动机超声波电动机* *控制电机控制电机1 超声波电动机超声波电动机Ultrasonic Motor USMUltrasonic Motor USM是是 20 20世纪末开展起来的一种新的微型驱动电机，它的根本构世纪末开展起来的一种新的微型驱动电机，它的根本构造及任务原理与传统电机完全不同，没有绕组和磁路，造及任务原理与传统电机完全不同，没有绕组和磁路，不以电磁相互作用来传送能量，而是基于压电资料的逆不以电磁相互作用来传送能量，而是基于压电资料的逆压电效应即电致伸缩效应，利用超声波振动来实现压电效应即电致伸缩效应，利用超声波振动来实现机电能量转换。机电能量转换。 由于这种新

2、型电机的任务频率普通在由于这种新型电机的任务频率普通在20kHz20kHz以上，所以称为超声波电机。以上，所以称为超声波电机。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机2 超声波电机突破了传统电机必需由电磁效应产生转超声波电机突破了传统电机必需由电磁效应产生转矩和转速的固有概念，与电磁式电机相比，超声波电机矩和转速的固有概念，与电磁式电机相比，超声波电机具有以下特点：具有以下特点： (1) (1) 体积小，分量轻。体积小，分量轻。 (2) (2) 低速大转矩。低速大转矩。 (3) (3) 呼应迅速，控制特性好。呼应迅速，控制特性好。 (4) (4) 有断电自锁功能。有断电自锁功能。 (5) (5)

3、 与外界无相互电磁干扰。与外界无相互电磁干扰。 (6) (6) 构造方式多样化。构造方式多样化。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机3第一节第一节 超声波电动机的根本构造超声波电动机的根本构造 超声波电动机的分类还没有一致的规范，按超声波电动机的分类还没有一致的规范，按照驱动转子运动的机理可分为驻波型和行波型两照驱动转子运动的机理可分为驻波型和行波型两种。驻波型是利用与压电资料相连的弹性体内激种。驻波型是利用与压电资料相连的弹性体内激发的驻波来推进转子运动，属延续驱动方式；行发的驻波来推进转子运动，属延续驱动方式；行波型那么是在弹性体内产生单向的行波，利用行波型那么是在弹性体内产生单向的行波

4、，利用行波外表质点的振动轨迹来传送能量，属延续驱动波外表质点的振动轨迹来传送能量，属延续驱动方式。目前，环形行波型超声波电动机的根底实方式。目前，环形行波型超声波电动机的根底实际和运用技术均较为成熟。际和运用技术均较为成熟。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机4 环形行波型超声波电动机的根本构造如图环形行波型超声波电动机的根本构造如图9-19-1所示，所示，主要包括定子、转子、压力弹簧和转轴等部件。主要包括定子、转子、压力弹簧和转轴等部件。 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机5第二节第二节 超声波电动机的任务原理超声波电动机的任务原理一、逆压电效应简介一、逆压电效应简介 压电效应压电效应

5、 是是 在在18801880年由法国的居里兄弟首年由法国的居里兄弟首先发现的。普通在电场作用下，可以引起电介质先发现的。普通在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，并导致介质两端外表内出现极性相反的束缚电荷，并导致介质两端外表内出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生极化的景象，称之为正压电效作用而使晶体发生极化的景象，称之为正压电效应。应。第九章第九章 超

6、声波电动机超声波电动机6 反之，将一块晶体置于外电场中，反之，将一块晶体置于外电场中， 在电场的作用在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移，这一极化位下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移，这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的景象，称之为逆压电效应，也称为电致晶体发生形变的景象，称之为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。伸缩效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机7 超声波电动机就是利用逆压电效应进展任务的，图超声波电动机就是利

7、用逆压电效应进展任务的，图9-29-2进一步阐明了逆压电效应的作用。进一步阐明了逆压电效应的作用。 当外电场的交变当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振形状，成为压电振子。械谐振形状，成为压电振子。 当振动频率在当振动频率在20kHz20kHz以上以上时，就属于超声振动。时，就属于超声振动。 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机8二、椭圆运动及其作用二、椭圆运动及其作用 超声振动是超声波电动超声振动是超声波电动机任务的最根本条件，起驱机任务的最根本条件，起驱动源的作用。但是，并不是动源的作用。但是，并不是恣意超声振

8、动都具有驱动作恣意超声振动都具有驱动作用，用， 它必需具备一定的形它必需具备一定的形状，即振动位移的轨迹是一状，即振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有延续的定向椭圆时，才具有延续的定向驱动作用。驱动作用。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机9 那么，怎样才干构成椭圆运动呢？设有两个空间相那么，怎样才干构成椭圆运动呢？设有两个空间相互垂直的振动位移互垂直的振动位移uxux和和uyuy，均是由简谐振动构成，均是由简谐振动构成， 振振动角频率动角频率00为，振幅分别为为，振幅分别为xx和和yy，时间相位差为，时间相位差为， 即有即有 9-1第九章第九章 超声波电动机超声波电动机)sin()sin(0y

9、y0 xxtutu9-222y2yyxyx2x2xsincos2uuuu10 在上式中，当在上式中，当 时，两个位移为时，两个位移为同向运动，合成轨迹为一条直线；当同向运动，合成轨迹为一条直线；当 时，其轨迹时，其轨迹为一椭圆，并且在为一椭圆，并且在 时为一规那么椭圆。时为一规那么椭圆。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机), 2, 1, 0(nnn2 n11 由此可见，相位差由此可见，相位差 的取值就决议了椭圆运动的的取值就决议了椭圆运动的旋转方向，当旋转方向，当0 0 时椭圆运动为顺时针方向，时椭圆运动为顺时针方向， 当当00时椭圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决时椭圆运动为逆

10、时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决议了定子对转子的拨动方向，所以也就决议了超声波电议了定子对转子的拨动方向，所以也就决议了超声波电动机的转子转向。动机的转子转向。 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机12三、行波的构成及特点三、行波的构成及特点 上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个质点的椭圆运动还缺乏以推进转子并驱动一定的负载，质点的椭圆运动还缺乏以推进转子并驱动一定的负载，而而 应该依托一系列质点的延续椭圆运动来推进转子旋应该依托一系列质点的延续椭圆运动来推进转子旋转，也就是说这些质点需求进展行波性质的运动。转，也就是说这些质点需求进展行

11、波性质的运动。 根据动摇学实际，两路幅值相等、频率一样、时间根据动摇学实际，两路幅值相等、频率一样、时间和空间均相差和空间均相差/2/2的两相驻波叠加后，将构成一个合成的两相驻波叠加后，将构成一个合成行波。行波。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机13 如图如图9-5(a)9-5(a)所示，将极化方向相反的压电体依次粘所示，将极化方向相反的压电体依次粘贴在弹性体上，当在压电体极化方向施加交变电压时，贴在弹性体上，当在压电体极化方向施加交变电压时，压电体在长度方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振压电体在长度方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振电压频率下，弹性体上将产生如图电压频率下，弹性体上将

12、产生如图9-5(b)9-5(b)所示的驻波。所示的驻波。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机14其数学表达式为其数学表达式为 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机txy0sin2sin9-3 设在弹性体上同时存在两相驻波设在弹性体上同时存在两相驻波A A和和B B，它们的频率，它们的频率同为同为00，波幅同为，波幅同为，波长同为，波长同为，并且在时间和空，并且在时间和空间上均相差间上均相差/2/2，即，即 txytxy0B0Acos2cossin2sin9-415其合成为其合成为 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机AB02( , )cos()y x tyyxt9-5这是一个频率为这是一

13、个频率为00、波幅为、波幅为、波长为、波长为的行波。的行波。 16 在环形行波型超声波电动机中，定子上的压电陶瓷在环形行波型超声波电动机中，定子上的压电陶瓷环是行波构成的中心，它的电极配置如图环是行波构成的中心，它的电极配置如图9-69-6所示。所示。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机17 由两个驻波叠加而构成行波，这在机理上与电机学由两个驻波叠加而构成行波，这在机理上与电机学中的旋转磁场实际有诸多类似之处。由第四章中的旋转磁场实际有诸多类似之处。由第四章“伺服电伺服电动机知道，当在单相绕组中通入单相交流电流时产生动机知道，当在单相绕组中通入单相交流电流时产生的是脉振磁场，假设有两个匝数一

14、样、空间互差的是脉振磁场，假设有两个匝数一样、空间互差9090电电角度的绕组，当在其中通入幅值相等、时间相位互差角度的绕组，当在其中通入幅值相等、时间相位互差9090的对称交流电流时，所产生的两个脉振磁场的合成的对称交流电流时，所产生的两个脉振磁场的合成就是一个圆形的旋转磁场，旋转磁场的转向取决于电流就是一个圆形的旋转磁场，旋转磁场的转向取决于电流的相序。在这里，弹性体中的驻波与单相脉振磁场相对的相序。在这里，弹性体中的驻波与单相脉振磁场相对应，而合成行波与旋转磁场相对应。应，而合成行波与旋转磁场相对应。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机18四、转子运动速度四、转子运动速度 下面经过分析弹

15、性体外表上恣意一点的运动轨迹，下面经过分析弹性体外表上恣意一点的运动轨迹，来确定转子运动的速度。来确定转子运动的速度。 根据式根据式9-59-5，在恣意时辰，弹性体外表上某点，在恣意时辰，弹性体外表上某点P P的纵向振动位移为的纵向振动位移为第九章第九章 超声波电动机超声波电动机9-6)2cos(),(0ytxtxu设弹性体的厚度为设弹性体的厚度为h h，那么，那么P P点的横向振动位移为点的横向振动位移为 )2sin(),(2),(0 xtxhxtxyhtxu9-719由以上两式，得由以上两式，得 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机9-822yx22( , )( , )1(/ )ux t

16、ux th 由此可见，弹性体外表上恣意一点的运动轨迹为椭由此可见，弹性体外表上恣意一点的运动轨迹为椭圆形，这种椭圆运动使得弹性体外表质点对转子产生延圆形，这种椭圆运动使得弹性体外表质点对转子产生延续的定向拨动作用，续的定向拨动作用， 且转子的运动方向与行波方向相且转子的运动方向与行波方向相反，如图反，如图9-79-7所示。所示。 显然，假设改动激振电源的电压极显然，假设改动激振电源的电压极性，便可以改动转子的运动方向。性，便可以改动转子的运动方向。 20第九章第九章 超声波电动机超声波电动机21根据式根据式9-79-7，弹性体外表质点的横向运动速度为，弹性体外表质点的横向运动速度为 第九章第九

17、章 超声波电动机超声波电动机9-9 横向速度的最大值应出如今行波的波峰或波谷处，横向速度的最大值应出如今行波的波峰或波谷处，此时的外表质点没有纵向速度，且横向速度与行波方向此时的外表质点没有纵向速度，且横向速度与行波方向相反。假设定、转子接触面之间没有滑动，那么转子的相反。假设定、转子接触面之间没有滑动，那么转子的运动速度与波峰处质点的横向速度相等，其值为运动速度与波峰处质点的横向速度相等，其值为 )2cos(),(),(00 xxtxhttxutxv0rxmaxhvv 9-10负号表示转子的运动方向与行波方向相反负号表示转子的运动方向与行波方向相反 22 设行波在定子弹性体中的传播速度为设行

18、波在定子弹性体中的传播速度为v v，第九章第九章 超声波电动机超声波电动机这样，转子运动速度又可写为这样，转子运动速度又可写为 9-12200 fv9-11激振电压频率激振电压频率 002f22r02hvfv 23 可见，在行波传播速度可见，在行波传播速度v v为恒值的情况下，为恒值的情况下， 改动激改动激振电压的频率振电压的频率f0f0可以快速改动转速，但存在一定的非线可以快速改动转速，但存在一定的非线性。而改动激振电压的大小，即改动行波的振幅性。而改动激振电压的大小，即改动行波的振幅，也，也可以改动转速。假设忽略压电体逆压电效应的非线性，可以改动转速。假设忽略压电体逆压电效应的非线性，那么

19、转速可以随激振电压作线性变化，这是超声波电动那么转速可以随激振电压作线性变化，这是超声波电动机变压调速的特点。机变压调速的特点。 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机24五、任务特性五、任务特性 普通而言，超声波电动机的任务特性与电磁式直流普通而言，超声波电动机的任务特性与电磁式直流伺服电动机类似，伺服电动机类似， 电动机的转速随着转矩的增大而下电动机的转速随着转矩的增大而下降，并且呈现一定的非线性。而超声波电动机的效率那降，并且呈现一定的非线性。而超声波电动机的效率那么与电磁式电机不同，么与电磁式电机不同， 最大效率出如今低速、大转矩最大效率出如今低速、大转矩区域，如图区域，如图9-89-

20、8所示。因此，所示。因此， 超声波电动机非常适宜低超声波电动机非常适宜低速运转。速运转。 总体而言，超声波电动机的效率较低，这是它的一总体而言，超声波电动机的效率较低，这是它的一个缺陷。目前，环形行波型超声波电动机的效率普通不个缺陷。目前，环形行波型超声波电动机的效率普通不超越超越50%50%。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机25第九章第九章 超声波电动机超声波电动机26第三节第三节 超声波电动机的驱动控制超声波电动机的驱动控制一、调速控制方法一、调速控制方法 1 1变频控制变频控制 变频调速超声波电动机最为适宜，由于电动变频调速超声波电动机最为适宜，由于电动机任务在谐振点附近，经过调理

21、谐振点附近的频机任务在谐振点附近，经过调理谐振点附近的频率可以快速控制电机的转矩和转速，并且易于实率可以快速控制电机的转矩和转速，并且易于实现低速起动。由于任务时谐振频率能够有漂移，现低速起动。由于任务时谐振频率能够有漂移，要求有自动跟踪频率变化的反响回路。要求有自动跟踪频率变化的反响回路。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机27 2变压控制变压控制 改动激振电压的幅值可以直接改动行波的振幅，从而到达调速改动激振电压的幅值可以直接改动行波的振幅，从而到达调速的目的，并且调理特性线性度较好。但在实践运用中普通不采用的目的，并且调理特性线性度较好。但在实践运用中普通不采用变压调速方案，由于这种方

22、案低速时转矩小，不易起动。假设电变压调速方案，由于这种方案低速时转矩小，不易起动。假设电压过低压电体有能够不起振，而电压过高又有能够击穿压电体。压过低压电体有能够不起振，而电压过高又有能够击穿压电体。 3相位差控制相位差控制 改动两相激振电压的相位差可以改动定子弹性体外表质点的椭改动两相激振电压的相位差可以改动定子弹性体外表质点的椭圆运动轨迹，从而改动电动机的转速。这种方案的优点是可以方圆运动轨迹，从而改动电动机的转速。这种方案的优点是可以方便地控制电动机的转向，但缺陷是低速起动困难，并且实现电路便地控制电动机的转向，但缺陷是低速起动困难，并且实现电路较为复杂。较为复杂。第九章第九章 超声波电

23、动机超声波电动机28二、驱动控制电路二、驱动控制电路 超声波电动机利用摩擦传动，定、转子间的滑动情超声波电动机利用摩擦传动，定、转子间的滑动情况不能完全确定。因此，要实现对超声波电动机转速的况不能完全确定。因此，要实现对超声波电动机转速的准确控制，必需采用闭环控制系统。准确控制，必需采用闭环控制系统。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机29 由于超声波电动机剧烈的非线性，其控制不同于常由于超声波电动机剧烈的非线性，其控制不同于常规的电磁式电动机，这主要是由于超声波电动机靠磨擦规的电磁式电动机，这主要是由于超声波电动机靠磨擦传动，定、转子之间的滑动率不能完全确定，并且谐振传动，定、转子之间的滑

24、动率不能完全确定，并且谐振频率本身又会随着温度而变化，导致系统参数及其控制频率本身又会随着温度而变化，导致系统参数及其控制特性都会改动。因此，实践上超声波电动机的控制是非特性都会改动。因此，实践上超声波电动机的控制是非常复杂的，其控制战略的研讨吸引了不少学者，目前仍常复杂的，其控制战略的研讨吸引了不少学者，目前仍处于探求与开展之中。处于探求与开展之中。 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机30第四节第四节 超声波电动机的运用超声波电动机的运用 一、超声波电动机与电磁式电动机的比较一、超声波电动机与电磁式电动机的比较 1 1根底实际根底实际 超声波电动机是基于刚体的动摇实际，利用超声波电动机是

25、基于刚体的动摇实际，利用压电晶体的逆压电效应实现电能到机械能的转换。压电晶体的逆压电效应实现电能到机械能的转换。由于超声波电动机的定、转子之间没有气隙，其由于超声波电动机的定、转子之间没有气隙，其能量完全是经过刚体的变形和接触来传送的，所能量完全是经过刚体的变形和接触来传送的，所以超声波电动机的根底实际是机械动摇实际；电以超声波电动机的根底实际是机械动摇实际；电磁式电动机是基于传统的电磁感应实际，其能量磁式电动机是基于传统的电磁感应实际，其能量是经过定、转子之间的气隙来传送的，即电磁转是经过定、转子之间的气隙来传送的，即电磁转矩是由励磁磁场中的通电电枢导体而产生，所以矩是由励磁磁场中的通电电枢

26、导体而产生，所以电磁式电动机的根底实际是电磁场实际。电磁式电动机的根底实际是电磁场实际。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机31 2运转特性运转特性 超声波电动机的突出优点就是能实现低转速、大转矩的负载运超声波电动机的突出优点就是能实现低转速、大转矩的负载运转，但其缺陷也比较明显，主要是超声波电动机是依托机械摩擦转，但其缺陷也比较明显，主要是超声波电动机是依托机械摩擦来传送能量，不仅电动机的效率较低，而且运用寿命也较短。据来传送能量，不仅电动机的效率较低，而且运用寿命也较短。据统计，超声波电动机的平均寿命大约为统计，超声波电动机的平均寿命大约为2000小时，与电磁式电动小时，与电磁式电动机相

27、比，长时间任务的才干还较欠缺。机相比，长时间任务的才干还较欠缺。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机32 3 3控制特性控制特性 从实际上来说，目前超声波电动机还没有一个能准从实际上来说，目前超声波电动机还没有一个能准确描画其定子振动过程和转子运动过程的数学模型。由确描画其定子振动过程和转子运动过程的数学模型。由于压电资料的非线性、摩擦发热、摩擦滑动和环境温度于压电资料的非线性、摩擦发热、摩擦滑动和环境温度等的影响，驱动转子的摩擦力将产生严重的非线性变化，等的影响，驱动转子的摩擦力将产生严重的非线性变化，这种变化使得准确控制电机转速的难度大大添加。另外，这种变化使得准确控制电机转速的难度大大

28、添加。另外，由于压电资料特性的不同，每台超声波电动机的驱动电由于压电资料特性的不同，每台超声波电动机的驱动电源都不一样，这样电机和电源必需一一配套，不利于大源都不一样，这样电机和电源必需一一配套，不利于大规模消费。规模消费。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机33二、超声波电动机运用实例二、超声波电动机运用实例 虽然超声波电动机在一些方面还不尽人意，各类规虽然超声波电动机在一些方面还不尽人意，各类规范还没有一致，但是由于其特征鲜明，优点突出，经过范还没有一致，但是由于其特征鲜明，优点突出，经过2020多年的研讨和发开，曾经在航空航天、机器人、精细多年的研讨和发开，曾经在航空航天、机器人、精细

29、仪器、医疗设备和影像设备等诸多领域得到了重要的运仪器、医疗设备和影像设备等诸多领域得到了重要的运用。下面引见几个运用实例。用。下面引见几个运用实例。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机341. 1. 用于机器人关节驱动用于机器人关节驱动第九章第九章 超声波电动机超声波电动机352. 2. 用于汽油发电机的油门调理用于汽油发电机的油门调理第九章第九章 超声波电动机超声波电动机363. 3. 用于照相机的自动调焦用于照相机的自动调焦第九章第九章 超声波电动机超声波电动机37本章小结本章小结 超声波电动机是一种新原理、新构造的控制超声波电动机是一种新原理、新构造的控制电机，它利用压电晶体的逆压电效应实现电能到电机，它利用压电晶体的逆压电效应实现电能到