第6章超声波电动机

超声波电动机UltrasonicMotor特种电机及其控制超声波电动机(UltrasonicMotor，简称USM)是近年来发展起来的一种全新概念的驱动装置，它利用压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应)，把电能转换为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式转换成运动体的回转或直线运动。这种新型电机一般工作于20kHz以上的频率，故称为超声波电动机。1超声波电机的基本原理上一页下一页返回上一节下一节超声波电动机的不同命名：如振动电动机(VibrationMotor)、压电电动机(PiezoelectricMotor)、表面波电动机(SurfaceWaveMotor)、压电超声波电动机(PiezoelectricUltrasonicMotor)、超声波压电驱动器/执行器(Ultrasonicpiezoelectricactuator)等等。

特种电机及其控制1.1超声波电机的结构上一页下一页返回上一节下一节特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节超声波电动机由定子(振动体)和转子(移动体)两部分组成但电机中既没有线圈也没有永磁体，其定子由弹性体(Elasticbody)和压电陶瓷(Piezoelectricceramic)构成转子为一个金属板。定子和转子在压力作用下紧密接触，为了减少定、转子之间相对运动产生的磨损，通常在二者之间(在转子上)加一层摩擦材料。特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节工作原理：对极化后的压电陶瓷元件施加—定的高频交变电压，压电陶瓷随着高频电压的幅值变化而膨胀或收缩，从而在定子弹性体内激发出超声波振动，这种振动传递给与定子紧密接触的摩擦材料以驱动转子旋转。特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节当对粘接在金属弹性体上的两片压电陶瓷施加相位差为90电角度的高频电压时，在弹性体内产生两组驻波，这两组驻波合成一个沿定子弹性体圆周方向行进的行波，使得定子表面的质点形成一定运动轨迹(通常为椭圆轨迹)的超声波微观振动，其振幅一般为数微米，这种微观振动通过定子(振动体)和转子(移动体)之间的摩擦作用使转子(移动体)沿某一方向(逆行波传播方向)做连续宏观运动。特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节2超声波电机的发展超声波电动机的发展大体可分为以下三个阶段：探索阶段(1948年——20世纪70年代末)USM原型出现实用化阶段(20世纪70年代末——80年代末)

商用USM产品出现深层次研究(20世纪90年代——)

机理、材料、结构、驱动控制、应用多样化特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节1.探索阶段(1948年——20世纪70年代末)1）超声波电动机的概念出现于1948年，英国的Williams和Brown申请了“压电电动机(PiezoelectricMotor)”的专利，提出了将振动能作为驱动力的设想，然而由于当时理论与技术的局限，有效的驱动装置未能得以实现。特种电机及其控制2）1961年，BulovaWatchLtd．公司首次利用弹性体振动来驱动钟表齿轮，工作频率为360Hz，这种钟表走时准确，每月的误差只有一分钟，打破了那个时代的纪录，引起了轰动。特种电机及其控制3）前苏联学者V.V.Lavrinenko于1964年设计了第一台压电旋转电机，此后前苏联在超声波电机研究领域一度处于世界领先水平，如设计了用于微型机器人的有2或3个自由度的超声波电机、

人工超声肌肉及超声步进电机等。不过，由于语言等方面的原因,前苏联的一些重要研究成果并未被西方科学界所充分了解。特种电机及其控制4）美国IBM公司的Barth也在1973年提出了一种超声波电动机的模型，从而使这种新型电机可以实现真正意义上的工作。

特种电机及其控制2.实用化阶段(20世纪70年代末——80年代末)1978年，前苏联的Vasiliev成功地构造了一种能够驱动较大负载的压电超声波电动机，这种电机使用由位于两个金属块之间的压电元件所组成的超声换能器，将该换能器激起与转子接触的振动片纵向振动，通过振动片与转子间的摩擦来驱动转子转动。这种结构的优点在于不仅能降低共振频率，而且能放大振幅，遗憾的是，这种电机在运转时由于温度的升高、摩擦及磨损等原因，很难保持振动片的恒幅振动。上一页下一页返回上一节下一节特种电机及其控制日本的T.Sashida在Vasiliev的研究基础上，于1980年提出并成功地制造了一种驻波型超声波电动机。该电机使用Langevin激振器，驱动频率为27.8kHz，电输入功率为90W，机械输出功率为50W，输出扭矩为0.25Nm，首次达到了能够满足实际应用的要求，但由于振动片与转子的接触是固定在一个位置上，仍存在着接触表面上摩擦和磨损等问题。特种电机及其控制1982年，Sashida又提出并制造了另一台超声波电动机——行波型超声波电动机，从原来的由驻波定点、定期推动转子变换成由行波连续不断地推动转子，大大地降低了定子与转子接触面上的摩擦和磨损。这种电机能够运转的实质就是定子表面的质点形成了椭圆运动。之后，在日本掀起了利用各种振动模态的研究热潮，如利用纵向、弯曲、扭转等振动来获得椭圆运动。这种电机的研究成功，为超声波电动机走向实用阶段奠定了基础。上一页下一页返回上一节下一节特种电机及其控制1987年，行波超声波电动机终于达到了商业应用水平。此后许多超声波电动机新产品不断地研制出来并推向市场。到20世纪80年代中期日本已形成三个系列的超声波电动机：即日立马克赛尔公司的驻波扭转耦合器系列、松下电器公司的行波系列和新生公司的弯曲波模态系列。除日本外，ElectroMechanicalSystems公司也推出了英国第一个商用超声波电动机系列产品——USR30。特种电机及其控制3.深层次研究(20世纪90年代——)在20世纪80年代，国外的研究工作主要集中在研究新的驱动机理、构造新的结构形式、开发新型电机等方面，着重于动力传输的实现，尚未能顾及到性能的改善。由于对超声波电动机的基础理论研究得不够透彻，没有形成完整的设计理论，使超声波电动机的研究带有一定程度的盲目性。直到90年代后，超声波电动机的建模、性能预测等理论问题才开始引起关注，但至今尚无系统的论述。目前，世界各国对超声波电动机的研究极为活跃，超声波电动机的研究趋向多元化。例如，美国利用其先进的材料和IC工艺研制出的微型超声波电动机，其尺寸仅有数百微米(250m500m2m)，驱动电压的典型值是5V，最低为1.5V，转速为150r/min。而大型超声波电动机的扭矩达400Nm。上一页下一页返回上一节下一节特种电机及其控制我国超声电机的研究始于20世纪90年代，清华大学、浙江大学、吉林大学、南京航空航天大学、中科院长春光机所、哈尔滨工业大学等先后开展了超声电机的研究，并取得了可喜的成果。1989年，清华大学周铁英、董蜀湘等申请了国内首项关于超声电机的发明专利，并在微型超声电机领域取得了一系列的研究成果，下图为周铁英研制的直径1mm的微型圆柱式超声电机，最高转速1800r/min，最大输出扭矩4µNm。特种电机及其控制浙大研制的直径80mm、长110mm、最大输出扭矩13.2Nm、空载转速12.6r/min的超声电机。吉林大学在压电精密驱动技术方面获得了显著的成果，图为其研制的步进式压电精密驱动器，能够实现高频率(30Hz)、高速度(380µrad/s)、大行程(>270°)、高分辨率(1µrad/step)驱动。哈尔滨工业大学研制的超声电机专用摩擦材料已经满足了工程应用的需要。特种电机及其控制3超声波电机的特点超声波电动机将电致伸缩、超声振动、波动原理这些毫不相干的概念与电机联系在一起，创造出一种完全新型的电动机。(1)结构紧凑、设计灵活，转矩密度大（其转矩密度可达到传统电机的5-10倍），可以实现电机的短、小、薄。

(2)低速大转矩，无需齿轮减速机构，可以实现直驱。由此可大大减小齿轮减速箱所引起的体积和重量的增加、振动和噪声的影响，能量的损耗以及传动带来的误差，大大提高系统的定位精度和响应速度。(3)反应速度快，超声波电动机靠摩擦力驱动，移动体（转子）质量较轻，惯性小，响应速度快，起动和停止时间为毫秒量级，能断电自锁。特种电机及其控制(4)位置和速度控制特性好，位移分辨率高。在伺服系统中容易实现微米级甚至纳米级的控制精度。(5)不产生电磁干扰，也不受电磁感应影响。特别适合强磁场下的工作环境。在对EMI(电磁干扰)要求严格的环境下，采用超声波电机也很合适。(6)低噪声运行。超声波电机工作频率一般大于20kHz，超出人类听觉范围，而且电机结构简单，无减速机构，运行时很安静，噪声在45dB以下(7)如果设计合理，压电材料和摩擦材料选用合适，可在真空、高/低温极端环境下工作。特种电机及其控制超声波电动机的缺点(1)功率小、效率低。超声波电机工作时存在两个能量的转换过程：一是电能转化为定子振动的机械能；二是通过摩擦作用将定子的微幅振动转化为转子的宏观单向运动。两个过程都存在能量损耗，因此效率低，一般旋转型行波超声波电机的效率在30%左右，输出功率小于50W。(2)寿命短，不适合连续运转的应用场合。由于定、转子之间通过摩擦传递能量，摩擦界面上存在磨损问题。此外定子的高频振动会导致压电材料的疲劳损坏，功率大、温度高时更为严重。(3)对驱动信号的要求较高。对施加在压电材料上的激励信号的幅值、频率、相位都有一定的要求。特种电机及其控制4超声波电机与电磁电机的比较(1)电机的负载特性与效率特种电机及其控制(2)电机的能量转化和微型化特种电机及其控制(3)电机的响应特性特种电机及其控制5超声波电动机的分类特种电机及其控制6超声波电动机的常见结构(1)环状或盘式行波型超声波电动机由底部粘接着压电陶瓷元件的环状定子和环状转子构成。对极化后的压电陶瓷元件施加—定的高频交变电压，在定子弹性体中形成沿圆周方向的弯曲行波。对定、转子施加一定的预压力，转子受到与行波传播方向相反的摩擦力作用而连续转动，定子上的齿槽用于改善电机的工作性能。

特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节(2)直线式行波型超声波电动机双Langevin振子型：利用两个Langevin压电换能器，分别作为激振器和吸振器，当吸振器能很好地吸收激振器端传来的振动波时，有限长直梁似乎变成了—根半无限长梁，这时，在直梁中形成单向行波，驱动滑块作直线运动。当互换激振器与吸振器的位置时，形成反向行波，实现反向运动。单轨型直线超声波电动机，把金属两端焊接起来形成田径跑道状的定子轨道，并在上面设置具有压紧装置的移动体(滑块)。压电陶瓷片粘在导轨的背面，通过两相时间、空间互差90电角度的压电陶瓷横向伸缩，在封闭的弹性导轨中激发出由两个同频驻波叠加而成的行波，以此驱动压紧在导轨上的滑块做直线运动。

特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节(3)驻波型超声波电动机Sashida研制的楔形驻波型超声波电动机:由Langevin振子、振子前端的楔形振动片和转子三部分组成。振子的端面沿长度方向振动，楔形结构振动片的前端面与转子表面稍微倾斜接触(夹角为)，诱发振动片前端产生向上运动的分量，产生横向共振，纵横振动合成的结果，使振动片前端质点的运动轨迹近似为椭圆。振动片向上运动时，振动片与转子接触处的摩擦力驱动转子运动；向下运动时，脱离接触，没有运动的传递，转子依靠其惯性保持方向向上的运动状态。这种电机设计简单，但存在两个缺点：在振动片与转子接触处磨损严重；转子转速较难控制，仅能单方向旋转。特种电机及其控制日立Maxell公司的改进型驻波超声波电动机，采用机械扭转连接器取代了楔形振动片，借助扭转连接器将压电振子产生的纵向振动诱发出扭转振动，两种振动在扭转连接器前端合成质点椭圆运动轨迹，驱动转子旋转。这种电机转速达到120r/min，输出转矩1.3Nm，能量转换效率为80％，超过传统电磁型电机。(3)驻波型超声波电动机采用扭转连接器的驻波型超声波电动机

特种电机及其控制驻波超声波电动机是利用在弹性体内激发的驻波来驱动移动体移动。但是，单一的驻波并不能传递能量，因为弹性体表面质点作同相振动。因此，驻波型超声波电动机通过激发并合成相互垂直的两个驻波，使得弹性体表面质点作椭圆振动，直接或间接地驱动移动体运动而输出能量。根据激励两个驻波振动的方式不同,驻波超声波电动机分为纵扭振动复合型:采用两个独立的压电振子分别激发互相垂直的两个驻波振动，合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹。模态转换型：模态转换型仅有一个压电振子激发某一方向的振动，再通过一个机械转换振子同时诱发与其垂直的振动，二者合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹，驱动移动体运动。（如前两例）特种电机及其控制纵扭复合型超声波电动机结构——定子由两个独立的振子所组成：纵向振子控制定子与转子之间的摩擦力(正压力)；扭转振子控制输出转矩。由于两种复合运动可独立控制，所以其输出转矩大，工作稳定，可双向运动，并且为设计者提供了较大的设计空间。

特种电机及其控制特种电机及其控制（4）非接触式超声波电动机

定子与转子之间不直接接触，而是在它们之间填充一种介质：液体或气体。当定子振动时，也就引起了介质的振动，在介质与转子的接触面就形成了摩擦力，从而驱动转子运转。非接触式超声波电动机是以牺牲转矩为代价的，其驱动力都很小。东京工业大学TohgoYamazaki等研制的圆筒型非接触式超声波电动机。其定子由硬铝制成，定子圆筒长为16.5mm、内径56mm、外径61.8mm，并由两个Langevin振子激励，形成行波。筒型转子放置在定子筒内。当定子产生行波时，转子悬浮起来并沿着行波前进方向旋转。驱动电源的频率为26kHz，电机的最高转速可达3000r/min。由于采用了Langevin振子，电机结构变得复杂，占有的空间较大，而且形状不规则，因而限制了它的应用场合。

特种电机及其控制(5)多自由度超声波电动机三自由度超声波电机两自由度超声波电动机电机由球形转子、两对径向定子等组成。定子是一个短圆柱体，用等截面梁穿过定子来施加轴向力，使得定子与转子紧密接触。利用粘贴在定子上的压电陶瓷同时在定子上激发出两个在空间互相垂直的振动模态，两个模态合成使得定子侧表面产生行波，从而通过摩擦接触驱动球形转子转动。两对径向定子置于一个平面内不同的位置，这样电机就可得到两个自由度的运动。

特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节7行波型超声波电动机的驱动控制(1)控制电压幅值。在一定范围内，驱动电压幅值与驻波振幅呈线性关系，因此通过调节压电陶瓷元件的激励电压，可以实现线性调速。但调速范围受到限制。电压过低,压电元件不会起振;电压过高,又会接近压电元件的工作极限。特种电机及其控制行波USM的常用控制方式:(2)变频控制,通过调节谐振点附近的频率控制速度和力矩,因为电机动作点在谐振点附近,且调频具有响应快的特点。变频调速对超声电机较为合适。特种电机及其控制行波USM的常用控制方式:(3)

相位差控制,改变两相电压的相位差,从而改变定子表面质点的椭圆运动轨迹。但低速启动困难,驱动电源设计较为复杂。特种电机及其控制8超声波电动机的应用8.1在照相机上的应用1990年佳能公司开发了环形超声电机，如图所示，其转速为37r/min，扭矩为0.03N·m。特种电机及其控制环形超声电机作为佳能公司中高级镜头使用的对焦电机，启动和制动的速度比传统的对焦电机快。由于环形超声电机具有低速大扭矩的特点，可以实现直接驱动。较大的自锁扭矩，使得超声电机停转后，能迅速自动锁住镜头。环形超声电机的构造极其简单，运转时没有声音，具有优异的启停响应和控制性能。高效率和低功耗使得镜头的转动可以直接利用照相机的电池供电。1992年，佳能又推出了适于大规模自动化生产的价格低廉的小型杆式超声波电机。特种电机及其控制特种电机及其控制8.2在手机上的应用韩国的三星公司将长为5mm，直径为1.6mm的两个超声电机应用于手机照相系统中，在增加极少重量和体积的情况下，安装了手机的光学变焦机构，能达到4倍光学变焦。特种电机及其控制8.3在手表上的应用日本精工公司早在1991年就推出了一款配置微型超声电机的手表。但这个超声电机的不足之处是驱动电路和电机的结构过于复杂，而且很难进一步小型化。为了简化结构，精工公司采用了驻波型超声电机，1996年成功地将直径为8mm的这种超声电机用于手表的振动报警，振动是由电机的转子偏心质量块转动产生的离心力引起的。特种电机及其控制目前带日历的手表中，传统的日历驱动机构需要一个步进电机和多级减速齿轮，以产生较大的扭矩推动日历轮转动。这就使得整套日历机构复杂，运动部件的尺寸也较大。为了解决这个问题，精工公司研制了一种超声电机，用它作为日历的驱动机构。这个直径为4.5mm，厚度为2.5mm的超声电机的启动扭矩是0.02mN·m，不带负载的转动速度为2000r/min，驱动频率约为630kHz。启动扭矩是传统手表中电磁步进电机的10倍。特种电机及其控制8.4在医疗器械上的应用美国加州大学研制的智能药片特种电机及其控制8.5在汽车上的应用特种电机及其控制8.6在机器人上的应用特种电机及其控制日本爱普生公司利用自行研制的世界上最薄的超声电机来驱动的昆虫机器人。其质量只有12.5g，每秒可移动150mm，超声电机的厚度只有0.04mm。日本爱普生公司利用同样的超声电机开发的世界上最小最轻的空中机器人。它的最大直径约为136mm，高度约为85mm，加上电池的质量为12.3g，持续飞行时间为3min。它运用了蓝牙无线控制技术，能够进行独立飞行。它由两个高性能超薄型超声电机分别驱动两个旋转方向相反的桨叶，获得升力。特种电机及其控制日本庆应大学研制的超声电机驱动五指灵巧手。五指灵巧手有20个关节(自由度)，每个关节均采用双端输出的外径为30mm，输出轴径为4mm的超声电机驱动。超声电机全部置于手掌内，可以完成强力抓取和精确抓取，整个灵巧手的质量仅为853g。在此之前，有文献记载的采用传统电机驱动的最轻灵巧手质量为1400g。由于超声电机具有响应快的特点，使得机器手的反应速度比人手还快。特种电机及其控制8.7在航空航天上的应用NASA将超声电机用于空间机器人技术CoddarSpaceFlightCenter将超声电机应用于空间机器人技术。其中微型机器手MicroArmI使用了具有力矩0.05N·m的超声电机。火星机器手MarsArmII使用了3个具有力矩为0.68N·m和一个具有0.11N·m的超声电机特种电机及其控制特种电机及其控制9超声波电机存在的问题及研究重点USM与传统电磁式电机相比有无可替代的优点，但是它也存在一些问题：(1)控制困难:从理论上来说，目前超声波电机仍然没有一个准确的数学模型来对其振动过程和运动过程进行系统的描述。由于压电材料的特殊性、摩擦发热和环境变化等问题，驱动转子的摩擦力将产生严重的非线