超声波电机的发展及应用

超声波电机的发展及应用

1.超声波电动机原理

超声波电动机(Ultrasonic Motor缩写USM)是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器。是国外近20年发展起来的一种新型电机。与传统的电机不同，超声波电机无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。一般由振动体(相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成)和移动体(相当于传统电机中的转子，由弹性体和摩擦材料及塑料等制成)组成。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使定子在超声频段(频率为20KHZ以上)产生微观机械振动。并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动。逆压电效应能够在振动体内激发出几十千赫的超声波振动 ,使振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率的微观振动(振幅一般为数微米) ,如椭圆、李萨如轨迹等 ,该微观振动通过振动体和移动体之间的摩擦作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。因此 ,超声波电机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。

近几年发展出了多种超声波电机，如环形行波USM、步进USM、多自由度USM等，且行波型USM 已有较成熟的设计。下面来说明一下行波型USM的原理。行波型USM要旋转，需要具备两个条件：与转子相接触的定子表面质点须做椭圆运动 ,定子、转子之间的接触面须有摩擦力。图 1 中的弹性体为定子 ,其上部为转子 ,定子、转子间夹一层摩擦材料。摩擦材料一般粘接在转子表面上。利用电能激励压电陶瓷复合振子 ,使之产生超声振动 ,并在弹性体内产生行波。当电信号频率调整到与定子(弹性体) 的机械共振频率一致时 , 定子的振动幅度最大 , 并形成行波。在行波的弯曲传播过程中 ,定子表面的质点就会形成椭圆振动轨迹。当无数个这样的粒子都以同相位振动时 ,就会在定子表面形成力矩 ,力矩方向与行波传播方向相反。该力矩依靠定子、转子间的摩擦力驱动转子运动。转子的运动速度由定子表面质点的振幅和频率决定 ,振幅大则速度快; 另外 ,加大定子、转子间压力 ,增加其间的摩擦力 ,也会增大转子受到的力矩。图2为环形行波型USM的结构示意图。主要部件为定子和转子。定子有弹性环，压电陶瓷环和粘接在其上的带有凸齿的弹性金属环组成，弹性环由不锈钢、硬铝或铜等金属制成。凸齿的作用是放大定子表面振动的振幅，是=使转子获得较大的输出能量。压电陶瓷环采用的是施加交变电压后能够产生机械谐振位移的“硬性”压电陶瓷材料，其质量的好坏直接影响电机性能。粘接剂多用高温固化的环氧树脂胶。

图 2 环形行波型USM 的结构示意图

实现超声波驱动有两个前提条件：首先，需在定子表面激励出稳态的质点椭圆运动轨迹；其次，将定子表面质点水平方向的微观运动转换成转子的宏观运动或平动。第一个前提条件

对应着机电能量转换，利用逆压电效应由电能转化成机械振动能：第二个前提条件对应着运动形式转化，往往通过定转子间的摩擦力来实现，近年来亦有通过气体或液体为中间介质接触为非接触型超声波电机，也称为声悬浮超声波电机。从超声电机的工作原理可见，其正常工作离不开两个能量转换作用：机电转换作用和摩擦转换作用。机电转换作用是指压电陶瓷的逆压电效应，即对压电陶瓷振子加高频振荡电流，使它以超声波的频率振动。摩擦转换作用是指弹性体(定子与压电陶瓷的合称)的振动经过定子与转子工作面间的摩擦作用转化成转子的直线运动或旋转运动。要保证大力矩输出、止动性好，必须满足的条件就是有效足够的机电转换作用和有效稳定的摩擦转换作用。

2.超声波电机的发展现状

USM自从80年代初问世以来，就以新颖的工作原理，独特的性能特点吸引了许多人的注意。到目前为止，无论是理论研究还是应用开发，日本均处于世界领先水平。根据以发表的文章和有关资料，包括日本有关USM的专利申请的调查，可以大概了解到USM的应用研究情况。日本众多研究单位如东京大学、东京工业大学、山行大学、爱知大学等从事理论研究、新结构研究、控制芯片集成研究。东京工业大学研制了定、转子距离为0.05mm、转速为4400r/min的非接触式行波型超声波电动机。近10年来日本的超声波电动机已经进入了实用化商业应用阶段，众多国际大公司从事超声波电动机研发、应用、销售，如佳能公司、新生公司、本多公司等等。至今超声波电动机的种类已经数十种之多。

美国目前有众多从事超声波电动机研究的机构，主要有麻省理工大学、加州大学伯克利分校、密苏里大学、喷气推进器实验室等。超声波电动机在航天、军事及精密仪器等领域得到了广泛的应用。喷气推进器实验室研制了用超声波电动机作为驱动源的多功能自动爬行系统，麻省理工学院在行波型超声波电动机方面也获得很多的成果，同时与喷气推进器实验室合作开展了超声波电动机在太空环境中应用的研究。

3.超声波电动机的应用领域

超声波电动机具有独特的优点及良好的性能，及对超声波电动机理论及控制的研究不断深入，使超声波电动机得到了快速的发展，应用领域日益广泛。

超声波电机在高科技领域应用比较广泛，超声波电机的应用领域可概括如下：

1)航空航天领域:航空航天器往往处在高真空、极端温度、强辐射、无法有效润滑等恶劣条件中，且对系统重量要求严苛，超声马达是其中驱动器的最佳选择。

2)精密仪器仪表电磁马达用齿轮箱减速来增大力矩，由于存在齿轮间隙和回程误差，难以达到很高定位精度，而超声马达可直接实现驱动，且响应快、控制特性好，可用于精密仪器仪表。

3)机器人：用超声电动机作为机器人的关节驱动器，超声波电动机具有低速、大转矩和非连续工作中具有比电磁电机更为优越的性能，可将关节的固定部分和运动部分分别与超声马达的定、转子作为一体，使整个机构非常紧凑。日本开发出球型超声电动机，为多自由度机器人的驱动解决了诸多的难题。

4)微型机械技术中的微驱动器：微型电机作为微型机械的核心，是微型机械发展水平的重要标志。微电子机械系统(micro electronic mechanical systems，缩写MEMS)的制造研

发中，其电机多是毫米级的。医疗领域是微机械技术运用最具代表性的领域之一，超声电机在手术机器人和外科手术器械上已得到应用。

5)照相机、手机对焦：由于超声波电动机启动和制动速度比传统的对焦电机快，canon 公司将环形超声波电动机作为中高级镜头的对焦电机，超声波电动机在照相机中的到了广泛的应用。随着人们对手机的附加功能越来越多样化，以往手机拍照系统均采用数字变焦方式，使得图像清晰度降低，而光学变焦方式能很好地解决这个问题，韩国三星公司将长5mm、直径1.6mm的两个超声波电动机应用与手机拍照系统中，取得了很好的效果。

6)医疗器械：由于传统电磁式电机自身会产生磁场，从而对实时成像产生不良影响，并且传统电磁式电机在强磁场的环境中无法正常工作。超声波电动机具有自身不产生磁场，也不受磁场干扰的特性，非常适合用于核磁共振。

7)汽车阀门控制：由于超声波电动机具有自锁特性和响应快等特性，并且可以避免火花的产生，对于自动调节油门控制超声波电动机具有它独特的优点。

相比与电磁式电机，超声波电动机具有其独特的应用优势，由于超声波电动机还不是很普及，只是被一些有实力的高端企业应用。目前超声波电动机更多应用在高端，精密的产品等领域，在日常生活上使用的还是比较少，但是随着超声波电动机进一步研究和探索，超声波电动机的应用领域会进一步扩大。

4.超声波电动机的发展展望

1）超声波电功机目前主要存在的问題：

超声波电动机具有全新的结构,与原来传统的电磁型电机相比有着许多多独特的优点,但也存在着一些不足。

(l)效率较低、输出功率偏小。超声波电动机主要存在两个个能量消耗较大的两个过程:一是高频电能通过压电材料的逆压故应将电能转换成高频振动的机械能;二是定、转子之间存在摩擦。因此超声波电动机的效率一般较低,旋转型行波超声波电动机的效率一般在30%左右,输出不超过50 W。目前我国超声波电动机的效率一般只有 3% -l5%。

(2）使用寿命较短。由于传通能量方式是通过定子和转子之间通过摩擦来实现，必然会存在摩擦材料的磨损,高频机械振动的定子会导致超声波电动机整体结构或晶体材料的性能下降甚至损坏，在功率校大、温度的情况下尤为严重,因此超声波电动机不适合连续的、长时间的运行。长期运行时超声波电动机的性能会下降。

(3)驱动要高。为了激发出定子的机械共振, 还特别需要高频电源的驱动。对电源的频率、幅值、相位也有一定的要求.在超声温度有所变化时.超声波电动机的机械共振频率会发生変化。需要增加自动频率跟踪措施,以保证电机输出性能稳定，因此超声波电动机驱动控制较为复杂,对电力电子器件也提出一定的要求。

2）超声波电动机需要进一步研究的课题：

超声波电动机的出现为电机的多样性提供了一条新的的思路,但从理论、设计、控制技术还有许多的工作需要进一步研究。

(1)超声波电动机的效率是关系超声波电动机能不能广泛应用和发展前景的问題,可以从压电材料、摩擦材料、电机结构、能量转换方式等方面进行深入的研究。目前超声波电动机主要还是依靠定、转子之间的摩擦实现的,这种摩擦不同于常规下的摩擦,也是影响超声波电动机效率的关键因素,为此给摩擦理论、电机整体结构的优化带来了新挑战。

5.结语

超声波电动机作为一种新型的电机,与传统的电磁电机的结构及其运行机理完全不一样 ,超声波电动机呈现出传统电机没有的一些优点。经过几十年的发展,超声波电动机的基本理论、设计、及其控制取得了很多的成果。国外超声波电动机的基本实现了产地化,日本最有代表性,日本超声波电动机已经广泛地应用于一些精密仪器及高科技领域当中。中国虽然超声波电动机的研究工作起步晚,但是在众多高校、科研単位努力下.发展较快快并取得很多的成果，但产品化并不多。提高效率、摩擦材料、结构优化、振动模型、控制策略、延长寿命等方面的研究还存在着不少的同题需要研究解决。超声波电动机发展是新型电机发展的一个方向，随着综合学科的发展,特别是摩擦学、材料、机械振动等学科的迅速发展,超声波电动机也得到了迅速发展。应用领域越来越多，超声波电动机具有更加广泛的发展空间和发展前景。

直线电机发展应用综述 (1)(1).

直线电机在数控机床上的应用综述 所在学院：机械工程学院 学科专业：机械工程 学生：解瑞建 学号：12847920 指导教师：董颖怀 天津科技大学机械工程学院 二零一二年十二月二十七日

摘要 简述了直线电机工作原理及其驱动技术，并且举例说明了直线电机直接驱动与传统数控机床“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的传动方式对比具有很大的优势。利用直线电机结构简单、运动平稳、噪声小、运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全可靠性等特性，采用直线电机的开放式数控系统使机床驱动控制技术获得新发展。介绍几个直线电机应用的实例，指出直线电机进给驱动技术将是高速机床未来的发展方向。 关键词：直线电机数控机床驱动控制高速机床 0 引言 数控机床正在向高精密、高速、高复合、高智能和环保的方向发展。高精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求：更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损。在传统的传动链中，作为动力源的电动机要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节才能将动力送达工作部件。在这些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上解决，于是出现了“直接传动”的概念，即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。随着电机及其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示出巨大的优越性。直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机性能有了新的飞跃。 图0 SUPT Motion公司生产的一种直线电机

超声波电机的原理与应用

超声波电机的原理与应用 周传运 超声波电机(Ultrasonic Motor ,USM )是国外近20年发展起来的一种新型电机。事实上,在超声波电机问世之前,已有以压电效应驱动的电机,但其频率并不局限于超声波范围。早在1948年,威廉和布朗就申请了“压电马达”的美国专利;1964年,前苏联基辅理工学院设计了第一个压电旋转电机;1970～1972年,西门子公司和松下公司发明了压电步进电机,不过因无法达到较大的输出转矩而没能实际应用。1980年,日本的指田年生研制成超声波压电电动机(即现代意义上的超声波电动机),克服了传统压电电动机转换效率低和变位微小的缺陷,使压电电动机进入工业实用阶段。 一、超声波电机的原理和结构超声波电机的原理　超声波电机利用压电材料的逆压电效应①产生超声波振动,把电能转换为弹性体的超声波振动,并把这种振动通过摩擦传动的方式驱使运动体回转或直线运动。磁极和绕组,它一般由振动体②和移动体③组成,为了减少振动体和移动体之间相对运动产生的磨损,通常在二者间加一层摩擦材料。当在振动体的压电陶瓷(PZT )上施加20KHz 以上超声波频率的交流电压时,赫的超声波振动,使振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率的微观振动(振幅一般为数微米),如椭圆、李萨如轨迹等,该微观振动通过振动体和移动体之间的摩擦作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。因此,超声波电机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。根据这一思想,日、德等国近几年相继研发出多种超声波电机,如环形行波USM 、步进USM 、多自由度USM 等,且行波型USM 已有较成熟的设计。下面以行波型USM 的 旋转说明其工作原理。 行波型USM 要旋转,需具备两个条件:与转子相接触的定子表面质点须做椭圆运动,定子、转子之间的接触面须有摩擦力。图1中的弹性体为定子,其上部为转子,定子、转子间夹一层摩擦材料。摩擦材料一般粘接在转子表面上。利用电能激励压电陶 瓷复合振子,使之产生超声振动,并在弹性体内产生 行波。当电信号频率调整到与定子(弹性体)的机械共振频率一致时,定子的振动幅度最大,并形成行波。在行波的弯曲传播过程中,定子表面的质点就会形成椭圆振动轨迹。当无数个这样的粒子都以同相位振动时,就会在定子表面形成力矩,力矩方向与行波传播方向相反。该力矩依靠定子、转子间的摩擦力驱动转子运动。转子的运动速度由定子表面质点的振幅和频率决定,振幅大则速度快;另外,加大定子、转子间压力,增加其间的摩擦力,也会增大转子受到的力矩。 图1　定子表面质点的椭圆运动轨迹 环形行波型超声波电机的结构　图2为环形行波型USM 的结构示意图。主要部件为定子和转子。定子由弹性环、压电陶瓷环和粘接在其上的带有凸齿的弹性金属环组成,弹性环由不锈钢、硬铝或铜等金属制成。凸齿的作用是放大定子表面振动的振幅,使转子获得较大的输出能量。压电陶瓷环采用的是施加交变电压后能够产生机械谐振位移的“硬性”压电陶瓷材料,其质量好坏直接影响电机性能。粘接剂多用高温固化的环氧树脂胶。 图2　环形行波型USM 的结构示意图 转子由转动环和摩擦材料构成。转动环一般用 不锈钢、硬铝或塑料等制成。摩擦材料必须牢固地粘接在转子的接触表面,从而增加定子、转子间的摩 ? 63?现代物理知识

多自由度超声波电机的研究现状与发展趋势

102 44多自由度超声波电机的研究现状与发展趋势 郭吉丰，王剑，白洋 （浙江大学电气工程学院 杭州，310027） 摘要 多自由度是超声波电机研究领域的热点和难点，多自由度超声波电机适合应用于空间机构和多维驱动场合，如机器人、医疗、光学和安防等领域。本文首先分类探讨了国内外近年来涌现的具有代表性的几类多自由度超声波电机的结构、性能及其特点；其次总结了本研究室研制的行波型球形超声波电机和直线-旋转复合型超声波电机，并阐述了球形多自由度电机的位姿控制技术；最后对多自由度超声波电机今后的发展方向提出了建议。 关键词 多自由度 超声波电机 研究现状 发展趋势 位姿控制 中图分类号 TM355 引 言 超声波电机利用压电材料的逆压电效应，将弹性材料的微观形变转化为宏观运动，具有低速大力矩、高功率密度、高分辨率、无电磁干扰、结构紧凑、可直驱、运动实现多样化等特点，适合在小功率场合使用，可部分代替电磁型电机，特别在航空航天、光学调焦、仪器仪表、机器人等领域得到了很好的应用[1]。随着科技的发展，机电系统也日益复杂化，很多场合需要多自由度驱动，但是由于多自由度电磁型电机结构复杂，难于制造和实施控制，且不适合低速直驱的应用要求。所以一些学者独辟蹊径[2]，采用超声波电机的原理发展多自由度电机，由于形成的多自由度超声波电机仍具有低速大力矩、高分辨率和结构紧凑等优点，可用于机器人关节、精密装配、微小型机器人等多维机电装置，具有良好的应用前景[1]。因此，国内外对此领域研究活跃，产生了多种原理和结构形式的电机，同时在测控技术上也有所进展。 本文首先分类探讨了近年来出现的几种多自由度超声波电机的结构、性能及特点，给出了一些具有代表性的电机实例；其次总结了本研究室在多自由度超声波电机方面的主要研究成果；最后指出了多自由度超声波电机的重点研究方向。 1 多自由度超声波电机的研究现状 多自由度超声波电机可实现多个自由度的运动，具有 国家自然科学基金(51107111)和中国博士后科学基金(20110491767)资助项目 机械集成度高的特点。按照电机转子运动的输出形式，可将多自由度超声波电机分成旋转型、直线型、旋转‐直线复合型三类，如表1所示。 表1 多自由度超声波电机的分类表 类型 特点 典型结构 旋转型 转子为球体， 两至三个旋转自由度 柱状定子‐球转子 环状定子‐球转子 球形定子‐球转子 直线型 两个平面自由度 单足/多足结构 旋转‐直线复合型 一个旋转自由度 和一个平面自由度 方体定子‐柱状转子 1.1旋转型多自由度超声波电机 旋转型是多自由度超声波电机最常见的一种结构形式。此类电机的特点是转子为球体，可实现两至三个旋转自由度的运动。按照定子的形状特征及与球转子接触的方式，又可以将转动型多自由度电机分为柱状定子型、环状定子型和球形定子型三类。 1.1.1 柱状定子型多自由度超声波电机 柱状定子型多自由度超声波电机的典型结构为圆柱定子‐球转子，圆柱定子一般通过弯振和纵振模态的组合来驱动球转子。这类结构最早由日本东工大的Amano 等人在1998年提出。庆应大学的Takemura 和Maeno 在2001年提出了优化结构[3]，如图1所示。圆柱定子采用兰杰文振子结构，利用压电振子的两个正交二阶弯振模态和一个一阶纵振模态，驱动球转子产生三自由度运动。Φ10mm 电机可实现最高转速

直线电机的发展及其在电梯行业的应用详细版

文件编号：GD/FS-7710 （安全管理范本系列） 直线电机的发展及其在电梯行业的应用详细版 In Order To Simplify The Management Process And Improve The Management Efficiency, It Is Necessary To Make Effective Use Of Production Resources And Carry Out Production Activities. 编辑：_________________ 单位：_________________ 日期：_________________

直线电机的发展及其在电梯行业的 应用详细版 提示语：本安全管理文件适合使用于平时合理组织的生产过程中，有效利用生产资源，经济合理地进行生产活动，以达到实现简化管理过程，提高管理效率，实现预期的生产目标。，文档所展示内容即为所得，可在下载完成后直接进行编辑。 直线电机可以不用借助任何中间转换结构把电能转变成直线运动，与传统的方式相比，具有噪音低、无磨损、无接触、结构简单、速度快、精度高等方面的优点。基于此本文对直线电机的发展及其在电梯行业的应用进行探讨，阐述了直线电机在电梯中驱动系统、门机系统的应用前景，为工程技术人员对直线电机的研发指明了方向。 传统的电梯曳引系统和门机利用交流旋转电机进行工作，为了实现电梯门的开和关，需要借助一些比较复杂的转动机构来把旋转运动的电机转变成直线运动。就电梯的曳引驱动系统而言，无论是交流电机

蜗轮蜗杆驱动系统或是交流调速系统、或是永磁马达调速系统，因为交流电机响应速度慢，控制起来比较复杂，无法满足未来对电梯性能的要求。而直线电机因为其结构的特殊性，不易被环境影响，受到了行业的广泛关注，正逐渐成为主流的电梯产品。 直线电机的发展和研究情况 1.1.直线电机的发展史 直线电机的概念是在1840年被提出来的，距今有一百多年的历史。可以将其发展史大致分成三个阶段，分别为：探索实验阶段、开发应用阶段和实用商品化阶段。其中第一个阶段指的是直线电机的探索和实验阶段，在这个阶段直线电机的设计还存在一定的问题，也没有找到直线电机合适的应用领域，因此直线电机一直没有被广泛使用。在开发阶段科学家在直线电动机研究的基础上，取得了非常大的研究成

超声电机

超声电机 请注意：所有项目介绍内容必须进行非密化处理。 一、项目简介（包括项目背景、现状与前景） （项目背景） 超声电机（Ultrasonic Motor，或简写为USM）是利用压电材料的逆压电效应，使弹性体（定子），在超声频段产生微米级的机械振动，通过定子和转子（或动子）之间的摩擦作用，将定子的微米级振动转换成转子（或动子）的宏观的单方向转动（或直线运动）。它打破了由电磁效应获得转速和转矩的传统电机的概念。它与传统的电磁电机相比，有一些独特的性能。因此，超声电机技术在20世纪末期得到迅速的发展，并在航空航天、机器人、汽车、精密定位仪、微型机械等领域里得到成功的应用，成为当今国内外微特电机领域研究的热点之一。 (项目现状，包括成熟程度) 南京航空航天大学超声电机研究中心暨江苏省超声电机工程研究中心在国家自然科学基金、学校学科建设的支持下，全面开展了超声电机技术研究。在超声电机的运动机理、机电耦合动力学模型、结构参数优化设计、驱动与控制等方面提出了系统的理论和方法，取得了突破性进展，获得国际同行的赞许。广泛开展了超声电机试验技术、制造技术和工程化研究。先后研发出16种具有自主知识产权的新型超声电机和驱动器，其中TRUM圆板式和BTRUM圆杆式二个系列旋转行波型超声电机技术成熟，正进行产业化开发，并向国内外推广应用。 （项目前景） 21世纪将是超声电机大放光芒的时代，为了发展我国人造卫星、导弹、火箭、飞机、机器人、微型机械、汽车、磁浮列车以及其他精密仪器，我国也将需要大量的高性能超声电机。随着超声电机的进一步微型化，微型机械则可进入人体更多的部位，如作为人造心脏的驱动器，推动人造器官的发展。未来的汽车需要的电机可多达80个，汽车门锁、玻璃升降、前视镜和雨刮器等，均可由超声电机来驱动。掌上计算机、可视电话电视、手提式仪器都可用超声电机，这样可以大大减小其体积和面积。 二、项目合作基础（包括①已承担各类基础、应用项目；②已获专利、奖项及论文发表情况；③研究团队介绍） 南京航空航天大学超声电机研究中心于1997年由赵淳生院士创建。它是国内第

超声波电动机

微特电机课程论文超声波电动机 学院: 专业班级： 学号： 姓名： 指导教师： 日期：

摘要 超声波电机是一个机电耦合系统，涉及到振动学、摩擦学、材料学、电力电子技术、自动控制技术和实验技术等。超声波电动机利用压电材料的逆压电特性，激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动。与传统电机相比，它具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，是一项跨学科的高新技术。近几年来超声波电动机已成为国内外在微型电机方面的研究热点。 关键字：超声波电机、逆压电效应、机械振动、高新技术。

一、超声波电动机简介 超声波电动机(Ultrasonic Motor缩写USM)是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器。由于激振元件为压电陶瓷，所以也称为压电马达。80年代中期发展起来的超声波电机(Ultrasonic motor，USM)是基于功能陶瓷的超声波频率的振动实现驱动的新型驱动器。超声电机是一个典型的机电一体化产品，由电机本体和控制驱动电路两部分组成。产品涉及到振动学、波动学、材料学、摩擦学、电子科学、计算技术和实验技术等多个领域。超声波电动机打破了由电磁效应获得转速和转矩的传统电机的概念，它利用压电材料的逆压电效应，使振动体在超声频段内产生振动，通过定子与动子间的摩擦输出能量。 二、超声波电动机的分类 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。 2. 直线式行波型超声波电动机 （1）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。

第二篇 超声波电机驱动原理

第二章超声波电机的驱动原理 本章从压电陶瓷的特性出发，系统地叙述了超声波电机中压电陶瓷的压电效应和逆压电效应，并对其相关的参数进行了系统的讨论。本章还将几何分析法和弹性动力分析法相结合，分析了定子表面质点的椭圆运动的形成，论述了行波型超声波电机的运行机理，为行波型超声波电机的建模、设计制作、实验研究以及驱动电源和控制系统的研究提供必要的理论指导。 2.1 压电效应与压电陶瓷[21-25] 压电陶瓷作为超声波电机能量转换的媒介，它起着为超声波电机提供驱动力的重要作用，如同人体的心脏一样。因此，研究超声波电机就必须对压电材料特性有深入的认识和了解，才能掌握超声波电机的运行机理并能正确地选择和使用压电材料。在研究超声波电机的驱动机理前，首先从压电陶瓷与普通陶瓷的最重要的区别——压电效应开始。 2.1.1 压电效应 压电效应（Piezoelectric Effect）早在1880年，法国的两位科学家——居里（Curie）兄弟，在研究石英晶体的物理性质时，发现了一种特殊的现象，这就是若按某种方位从石英晶体上切割下一片薄晶片，在其表面上敷上电极，当沿着晶片的某些方向施加作用力而使晶片产生变形后，会在两个电极表面上出现等量的正、负电荷。电荷的面密度与施加的作用力的大小成正比；作用力撤销后，电荷也就消失了。这种由于机械力的作用而使晶体表面出现电荷的现象，称为正压电效应，如图2-1所示。后来人们又在其它一些晶体上进行了类似的实验，发现有许多晶体都具有这种现象。这些具有压电效应的晶体统称为压电晶体。发现正压电效应的第二年，也就是1881年，由李普曼在理论上预言，由居里兄弟在实验上证实了另一种物理现象：将压电晶体置于外电场中，由于电场的作用，会使 图2-1 正压电效应示意图图2-2 逆压电效应示意图 （实线代表变形前的情况，虚线代表变形后的情况）

直线电机的发展及其在电梯行业的应用(正式版)

文件编号：TP-AR-L8349 In Terms Of Organization Management, It Is Necessary To Form A Certain Guiding And Planning Executable Plan, So As To Help Decision-Makers To Carry Out Better Production And Management From Multiple Perspectives. （示范文本） 编订：_______________ 审核：_______________ 单位：_______________ 直线电机的发展及其在电梯行业的应用(正式版)

直线电机的发展及其在电梯行业的 应用(正式版) 使用注意：该安全管理资料可用在组织/机构/单位管理上，形成一定的具有指导性，规划性的可执行计划，从而实现多角度地帮助决策人员进行更好的生产与管理。材料内容可根据实际情况作相应修改，请在使用时认真阅读。 直线电机可以不用借助任何中间转换结构把电能 转变成直线运动，与传统的方式相比，具有噪音低、 无磨损、无接触、结构简单、速度快、精度高等方面 的优点。基于此本文对直线电机的发展及其在电梯行 业的应用进行探讨，阐述了直线电机在电梯中驱动系 统、门机系统的应用前景，为工程技术人员对直线电 机的研发指明了方向。 传统的电梯曳引系统和门机利用交流旋转电 机进行工作，为了实现电梯门的开和关，需要借助一 些比较复杂的转动机构来把旋转运动的电机转变成直

线运动。就电梯的曳引驱动系统而言，无论是交流电机蜗轮蜗杆驱动系统或是交流调速系统、或是永磁马达调速系统，因为交流电机响应速度慢，控制起来比较复杂，无法满足未来对电梯性能的要求。而直线电机因为其结构的特殊性，不易被环境影响，受到了行业的广泛关注，正逐渐成为主流的电梯产品。 直线电机的发展和研究情况 1.1.直线电机的发展史 直线电机的概念是在1840年被提出来的，距今有一百多年的历史。可以将其发展史大致分成三个阶段，分别为：探索实验阶段、开发应用阶段和实用商品化阶段。其中第一个阶段指的是直线电机的探索和实验阶段，在这个阶段直线电机的设计还存在一定的问题，也没有找到直线电机合适的应用领域，因此直线电机一直没有被广泛使用。在开发阶段

超声波电机的设计

任务书 论文（设计）题目：超声波电机的设计 学号：姓名：专业： 指导教师：系主任： 一、主要内容及基本要求 超声波电机是国内外日益受到重视的一种新型驱动电机，通过查找相关文献，熟悉其工作原理和运行机理，结合本科所学机械各学科方面的知识，完成超声波电机结构部分的设计。 主要研究内容包括以下几个方面：1超声波电机的运行机理。2定子谐振频率的计算。3压电陶瓷换能器的设计和制作。4定子的设计及制作。5转子的设计及制作。6编写设计说明书：设计说明书按设计程序编写。 基本要求：学习查阅文献，具备综合归纳资料的能力；综合运用本科阶段所学知识，分析与解决超声波电机结构设计过程中所遇问题；并利用AutoCAD软件绘制了其装配图和各个零件图；通过翻译3000字的外文资料获取国外在该行业的最新发展动态。 二、重点研究的问题 理解超声波电机的工作原理和运行机理，弄清其结构特点，定子谐振频率的计算，定子的设计及制作，转子的设计及制作；理解超声波压电陶瓷和压电振子的特性，弄清超声波电机的振动特性及动力响应特性；理解超声波电机的驱动和控制及超声波电机的分析与设计。设计一台超声波电机。 三、进度安排

序号各阶段完成的内容完成时间 1 选题第1周 2 查阅与收集资料第2~5周 3 超声波电机结构的设计第6~9周 4 完成所要求图纸第10~11周 5 完成设计说明书第12~13周 6 进行最后的修改第14周 7 答辩第15周 四、应收集的资料及主要参考文献 [1] 刘晋春，特种加工，第五版[M].机械工业出版社.2008 [2] 史敬灼，超声波电机运动控制理论与技术.北京:科学出版社.2011.10 [3] 胡敏强，金龙，顾菊平，超声波电机原理与设计. 北京: 科学出版社.2005 [4] 姜楠，方光荣，刘俊标，束娜. 国内外超声波电动机驱动技术的最新进展. 微特电机. 2005.9 [5] 赵淳生，对发展我国超声电机技术的若干建议.微电机.2006 [6] 胡敏强，超声电动机的研究及其应用[J].微特电机.2000 [7] 淮良贵，纪名刚，机械设计,第六版[M].北京:高等教育出版社,1996 [8] 郑凯，杨义勇，胡仁喜.Solid Edge应用教程[M].清华大学出版社，2008.4 [9] 芦亚萍，孟繁琴，袁云龙.超声波电机研究现状.微电机.2005 [10] 杨明，阙沛文. 超声电机变频驱动源的设计与分析. 压电与声光。 [11] 顾绳谷，电机及拖动基础，第四版[M]. 机械工业出版社.2007.10 [12]罗宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册[M].高等教育出版社，2006.5

_超声电机技术与应用_

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. https://www.sodocs.net/doc/c7136916.html, 书评 《超声电机技术与应用》 赵淳生 (南京航空航天大学超声电机研究中心,江苏南京210016) 超声电机是在20世纪80年代迅速发展起来的、基于压电效应和超声振动的一种新型微电机。它突破了传统的电磁效应电机原理,具有力矩/质量比大,结构紧凑,低速大扭矩,响应快,电磁兼容性和控制性能好等突出优点;并已在机器人、精密仪器仪表、医疗器械、航空航天及新型武器装备等领域得到广泛的应用。超声电机理论、方法、制作、应用都取得极大进展,研究和应用成果丰富,但系统的论述和表达尚不多见。 《超声电机技术与应用》一书较系统地讨论了超声电机的进展和成果,特别是总结了作者及其科研团队从事超声电机技术研究10多年来的成果,许多成果都来自于亲自的实验。本书具有以下几个特点: (1)从超声电机所涉及的基本振动理论和波动理论出发,在超声电机的运动机理、机电耦合动力学模型、结构参数优化设计、驱动与控制技术等方面提出了系统的理论和设计方法。 (2)将振动理论中的一些现代分析方法和技术引入到超声电机机电耦合系统建模和优化设计中,如动态子结构法、结构动力修改技术以及模态识别和分离技术等。 (3)揭示了超声电机研制中的许多关键技术,提出了相应解决的办法。如提出了一种有效的自动频率跟踪技术,解决了超声电机转速随温度升高而下降的难题;提出了应用于行波超声电机的“反共振点+恒流驱动”的论点,提高了超声电机的综合性能;提出了一种用于行波超声电机的压电陶瓷元件极化分区新方案,既简化了极化工艺,又提高了超声电机的效率等。 (4)该书特别重视实验研究及结果分析,这正体现了作者及其科研团队重视实验的传统。该团队自行研制或与有关单位合作研制、建立了一系列超声电机试验设备试验装置,提出了一整套关于超声电机零部件和整机的试验方法,并对各种新型超声电机进行了大量的试验研究,这在该书中多有体现。 (5)该书还特别注重理论联系实际。不仅提出了系统的理论和方法,而且在工程应用方面所做的大量研究工作也有表述,如以超声电机为执行器的定位和恒速的多变量(速度、频率和相位)控制技术的研究,包括把超声电机应用于二元机翼颤振抑制、核磁共振注射器、视觉目标的自动跟踪及机器人等。许多来自应用的研究和成果甚至可直接移植借鉴,尤其是试验数据和图表值得借鉴。 本书共566页,于2007年9月北京科学出版社出版。本书共分16章,第1章绪论,简要地叙述了超声电机技术的发展、特点和分类,以及国内外的应用概况。第2、3章提供了超声电机在设计和试验中所必须的振动理论。第4章扼要介绍了机械摩擦和摩擦材料。第5章对压电效应及压电材料作了扼要阐述,强调压电材料的特性对超声电机的影响,并提供了一些选取和制备超声电机所需要的压电材料的知识。第6～12章分别叙述了圆板式行波型、杆式行波型、纵扭复合型、直线型、步进型、非接触型、离合器耦合型、表面波型等超声电机运动机理、动力学模型、结构优化设计方法及其试验研究。第13、14章论述超声电机驱动与控制技术。第15章详细地介绍超声电机所必须进行的各种试验,包括试验原理、试验方法、试验装置以及对试验结果的分析。第16章在介绍目前国内外超声电机应用情况的基础上,展望了未来的应用前景。 本书是我国目前较全面和系统地论述超声电机技术及其应用的不可多得的著作。本书除有丰富的学术内容外,著者在写作方面严肃认真。愿意向从事超声电机或作动器,特别是精密工程或精密驱动等的科研、设计工程技术人员及高等院校相关专业的硕士、博士研究生推荐。

周铁英超声电机的发展与展望

超声电机的发展与展望周铁英陈宇 (清华大学物理系, 北京100084) 1 引言和回顾超声电机是利用压电材料的逆压电效应制成的新型驱动器。它由定子、转子以及施加预压力的机构等部件构成。把超声频交变电压加在压电陶瓷上可以在定子表面产生超声振动，通过定子与转子之间的摩擦力驱动转子运动[1-2]。超声电机是多学科交叉的学科，它集超声学、振动学、材料学、摩擦学、电子学和控制科学为一体，需要众多领域合作研究。与电磁电机相比，超声电机的主要特点包括：1、大力矩低转速，不需减速机构；2、能量密度大，可达电磁电机的3－10倍；3、响应速度快，仅ms量级；4、定位精度高；5、无电磁干扰；6、因靠摩擦驱动，具有自锁功能。国际上第一个超声电机的发明专利是1942年美国人Williams 和Brown 申请的，该专利1948年授权[3]。1982年日本成功地开发出行波型超声波电动机, 仅在5至7年之后，佳能、新生等几家日本公司就把超声波电动机推向市场，其中相机和打印机最为成熟。近期FUKOKU、ASUMO、精工仪器、佳能精机、京瓷、奥林巴斯光学工业、MITSUBA，SIGMAPHOTO（适马镜头）等单位都引入了超声电机的研发。图1是1998年日本超声电机投放市场的分布图[4]，其中照相机和工业机械的市场占有率为88.2%，医疗器械 5.9%，汽车电器3.6%。 1.50.73.65.9照相机工业机器22.6医疗器械汽车住宅设备65.6其他图1 1998年日本超声电机投放市场的分布图如图1所示，日本用于照相机调焦的主要超声电机是佳能使用的行波型和摇头型，有数百个专利，基本形成市场的垄断。现在, 除了日本之外, 美国、德国、法国、瑞士、韩国、土耳其、新加坡等都有超声电机产品进入市场。美国的一

直线电机的发展及其在电梯行业的应用通用范本

内部编号：AN-QP-HT103 版本/ 修改状态：01 / 00 When Carrying Out Various Production T asks, We Should Constantly Improve Product Quality, Ensure Safe Production, Conduct Economic Accounting At The Same Time, And Win More Business Opportunities By Reducing Product Cost, So As T o Realize The Overall Management Of Safe Production. 编辑：__________________ 审核：__________________ 单位：__________________ 直线电机的发展及其在电梯行业的应 用通用范本

直线电机的发展及其在电梯行业的应用 通用范本 使用指引：本安全管理文件可用于贯彻执行各项生产任务时，不断提高产品质量，保证安全生产，同时进行经济核算，通过降低产品成本来赢得更多商业机会，最终实现对安全生产工作全面管理。资料下载后可以进行自定义修改，可按照所需进行删减和使用。 直线电机可以不用借助任何中间转换结构把电能转变成直线运动，与传统的方式相比，具有噪音低、无磨损、无接触、结构简单、速度快、精度高等方面的优点。基于此本文对直线电机的发展及其在电梯行业的应用进行探讨，阐述了直线电机在电梯中驱动系统、门机系统的应用前景，为工程技术人员对直线电机的研发指明了方向。 传统的电梯曳引系统和门机利用交流旋转电机进行工作，为了实现电梯门的开和关，需要借助一些比较复杂的转动机构来把旋转运

超声波电机介绍及其应用

超声波电机介绍及其应用 一、超声波电机的工作原理 超声学科结合的新技术。超声电机不像传统的电机那样，利用电磁的交叉力来获得其运动和力矩。超声电机则是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。 二、超声波电机的产生 20 世纪90 年代日本佳能公司研制出一种压电电动机，这种电动机的工作原理是利用逆压电效应把电能转换成机械能。常见的压电电机也是由定子和转子组成，但定子是由压电材料和金属材料组合制成，转子是由金属材料制成；压电材料把电能转换成机械振动能，激励定子金属体振动；转子与定子相接触，通过摩擦力，定子的振动驱动转子运动。由于定子的振动频率一般在大于20kHz 的超声频段，因此人们也将压电电机称为超声电机。 三、超声波电机的特点 （1）超声电机可以得到较低转速，因此输出力矩较大，可以省去减速机构直接带动负载。（2）因为超声电机不使用电磁场作为驱动力，因此电磁辐射小。许多情况下，不希望有电机产生强电磁干扰，或者在强磁场环境中，电磁电机的正常工作会受到影响，而超声电机不需要做太多的电磁屏蔽处理就可以在这些条件下工作。 （3）超声电机依靠定、转子之间的接触摩擦作为驱动方式，关闭电源后转子就会马上停止，并在摩擦力的作用下固定不动 （4）超声电机的响应时间较短，一般在十几毫秒以内。（5）超声电机没有电磁线圈，可以不用铜材，节省原料造价。（6）超声电机的转速可以通过改变驱动频率进行调节，比较灵活。（7）超声电机在很小尺寸上都可以有效工作。 四、超声电机的分类 （1）环形行波超声波电机。 在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的振动来传递能量，属连续驱动方式，其基础理论和应用技术均较成熟。 （2）小型柱体摇摆型超声波电机 目前行波型超声波电机已有较成熟的设计方法，但该型电机在小直径（小于20mm）条件下，输出性能逐渐失去低速大扭矩的特点，而且由于其结构的限制，效率也很难提高。而柱体摇摆型超声波电机采用兰杰文振子结构，机械效率高。进一步设计可实现多个不同模态之间的耦合、叠加，从而形成三自由度椭圆运动，实现一个定子驱动多自由度的运动。摇摆型超声波电机是靠圆柱定子端部的摇头振动并通过摩擦来驱动转子，所以定子的直径越小，摇头振动的幅值越大，小型化（一般直径小于20mn）能更加显示出这种电机的优越性。由于该电机采用兰杰文结构，压电陶瓷不需粘接，其装配工艺容易实现自动化。所以这种电机特别适宜对电机的重量、体积、性能等方面有特殊要求的应用场合，如精密光学仪器、导弹导引头的跟随控制装置。摇摆型超声波电机的这些特点近年来在超声波电机领域备受关注。因此该型超声波电机的研究将改变超声波电机工作及运行机理，拓展开发新型超声波电机的思路。（3）步进超声波电机 随着超声波电机技术的日趋完善，应用领域越来越多。但在超声波电机角位移控制系统中，必须引入传感器来进行反馈，形成闭环控制系统，这样使电机结构变得复杂。自校正超声波电机能在一定角度内，自行修正其角位移累积误差，从而省略了传感器以及与传感器相匹配的闭环时序电路，达到简化结构和保障精度的目的。因此，对步进超声波电机的研究具有重要的学术价值，在精密控制等领域具有广泛的应用前景。

周铁英超声电机的发展与展望

超声电机的发展与展望 周铁英陈宇 (清华大学物理系, 北京 100084) 1 引言和回顾 超声电机是利用压电材料的逆压电效应制成的新型驱动器。它由定子、转子以及施加预 压力的机构等部件构成。把超声频交变电压加在压电陶瓷上可以在定子表面产生超声振动， 通过定子与转子之间的摩擦力驱动转子运动[1-2]。超声电机是多学科交叉的学科，它集超声学、振动学、材料学、摩擦学、电子学和控制科学为一体，需要众多领域合作研究。与电磁 电机相比，超声电机的主要特点包括：1、大力矩低转速，不需减速机构；2、能量密度大， 可达电磁电机的3－10倍；3、响应速度快，仅ms量级；4、定位精度高；5、无电磁干扰；6、因靠摩擦驱动，具有自锁功能。 国际上第一个超声电机的发明专利是1942 年美国人Williams 和Brown 申请的，该专 利1948年授权[3]。1982年日本成功地开发出行波型超声波电动机, 仅在5至7年之后，佳 能、新生等几家日本公司就把超声波电动机推向市场，其中相机和打印机最为成熟。近期FUKOKU、ASUMO、精工仪器、佳能精机、京瓷、奥林巴斯光学工业、MITSUBA，SIGMAPHOTO（适马镜头）等单位都引入了超声电机的研发。图1是1998年日本超声电机 投放市场的分布图[4]，其中照相机和工业机械的市场占有率为88.2%，医疗器械 5.9%，汽 车电器3.6%。 1.5 0.7 3.6 5.9 照相机 工业机器 22.6 医疗器械 汽车 住宅设备 65.6 其他 图1 1998年日本超声电机投放市场的分布图 如图1所示，日本用于照相机调焦的主要超声电机是佳能使用的行波型和摇头型，有数 百个专利，基本形成市场的垄断。现在, 除了日本之外, 美国、德国、法国、瑞士、韩国、 土耳其、新加坡等都有超声电机产品进入市场。美国的一些著名大学, 如Stanford、Wisconsin、Berkeley、Penn. State等都投入很多力量研究超声电机。美国国防部门也投入很多人力物力 从事超声电机的研究。美国某些公司生产的超声电机产品已经在航空航天、半导体工业、MEMS、和BioMEMS等领域先后得到应用。 中国的产业化进程相对缓慢。我国超声波电动机的研究是从80 年代末、90 年代初开 始的，大致经历了跟踪学习、自主开发、实际应用推广3个发展时期。1985年到1991年间，国内学者开始撰写文章介绍超声波电动机[5，6]，1989 年清华大学和上海大学分别研究开 发出了压电蠕动型超声波致动器，哈尔滨船舶工程学院研制了环形超声电机[7,8]，1993年

超声波电机研究现状

综 述?REV IE W 超声波电机研究现状 收稿日期:2005-03-25 芦亚萍,孟繁琴,袁云龙(宁波工程学院机械系,宁波　315016) 摘　要:介绍了超声波电机的基本原理及分类。概述了前苏联、日本、美国以及国内的超声波电机研究和应用情况,分析了超声波电机建模的研究进展和实际困难。 关键词:超声波电机;现状;应用 中图分类号:T P211 文献标识码:A 文章编号:1001-6848(2005)05-0075-03 The Recen t D evelop m en t of Ultra son ic m otor LU Ya-p ing,M EN G Fan-qin,YUAN Yun-long (N inbo U niversity of T echno logy,N ingbo,315016Ch ina) Abstract:T h is paper analyzes the basic theo ry of ultrasonic and gives its classificati on,then p resents the late research accomp lishm ent and app licati on trend in U SSR,Japan,U SA,and Ch ina.A t last po ints out the p rogress and difficulty about mo to r contro l and dynam ic model. Key words:ultrasonic mo to r;developm ent;app licati on 0　引　言 超声波电机是利用压电材料的逆压电效应实现驱动的一种新型微特电机,具有如下一些特点: (1)低压电源控制,功耗低;(2)刚度好,热稳定性好;(3)直接获得低转速大力矩,可直接用于驱动元件,不象电磁型电机需添加减速器;(4)没有线圈和磁铁,本身不产生电磁波,外部磁场对其影响也很小;(5)具有无源自锁性能,且响应时间短;(6)可实现高精密定位;(7)体积小,易于集成,能量密度高; (8)适宜在各种特殊的恶劣环境下使用。 超声波电机是压电陶瓷、功能材料、机械振动、超精加工、电力电子、控制理论等学科交叉发展的结晶,对其研究与开发具有重要的现实意义。 1　分　类 超声波电机的分类没有统一的标准,目前通行的分类方法主要有以下几种。 按产生转子运动的机理可分为驻波型和行波型。驻波型是利用作固定椭圆运动的定子来推动转子,属间断驱动方式。行波型则利用定子中产生的行走的椭圆运动来推动转子,属连续驱动方式。 行波型超声波电机的特点是在弹性体内产生单向的行波,利用行波表面指点的椭圆振动轨迹传递能量。由于波传播具有反射性和双向性,采用单个压电激励源不可能在细长弹性体环和棒内产生单方向的行波,只能产生一驻波。要在有限长弹性体内产生单方向行波,必须采用防止波反射的措施或采用两个压电激励源,通过激励两个驻波合成行波,若采用两个激励源,则两激励源时间、空间相差Π 2的奇数倍。驱动媒质与移动体的接触面按空间分布,两者仅在行波波峰处与移动体接触时驱动力较大。 驻波型超声波电机是利用在弹性体内激发的驻波,驱动移动体移动,单一的驻波表面质点作同相振动,不能够传递能量。驻波型超声波电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,直接或间接驱动移动体运动而输出能量。由于驻波型超声波电机弹性体表面质点作等幅同相振动,驱动媒质与移动体的接触或驱动力按时间分布,这是驻波型超声波电机的一个显著特点。 驻波型超声波电机根据激励两个驻波振动的方式不同,可分为纵扭振动复合型超声波电机和模态转换型超声波电机。纵扭复合型超声波电机是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;模态转换型超声波电机仅有一个压电振子激发某一方向的振动,再通过一机械转换振子同时诱发一个与其垂直的振动,二者合成弹性体表面质点的椭圆振动轨 — 5 7 — 超声波电机研究现状　芦亚萍　孟繁琴　袁云龙

直线电机与并联机床

直线电机与并联机床：机床技术创新典范 在全球经济陷入金融危机，并尚未摆脱其复杂影响的今天，人们对未来的发展进行了深入思考，我们将以什么样的姿态和面貌来迎接一个全新时代的到来呢？可以想见，危机过后，世界经济环境将发生巨大而深刻的变化，技术和产品的发展模式也将不再简单重复过去，我们必将造就一个以高新技术和创新成果为支撑的，以节能环保和低碳经济为主导的，绿色而高效的现代文明时代。 本届展会的主题是“以科技创新迎接后危机时代”，那么，现今的机床有哪些令人瞩目的共性、关键技术呢？记者注意到直线电机和并联机床。 直线电机：前途远大瓶颈仍存 日前，中国机床工具工业协会有关人士告诉记者：“直驱技术是行业发展的方向，也是国产机床的短板，在这个领域，德国和日本占尽先机。但是，我最近了解到，日本在直驱技术的开发上也遇到了难题，即大功率、大扭矩加工时无法解决散热问题。” 美国Ingersoll公司是知名的机床制造商，克莱斯勒汽车公司购买其6台HVM600卧式加工中心，用来生产高级汽车发动机汽缸盖。该机床主轴转速2万r/min，X/Y/Z三轴由GEFANUC的直线电机驱动。这6台加工中心每天生产300个汽缸盖，相当于11台非直线电机驱动的加工中心的生产量。 目前，世界上最知名的机床厂家几乎无一例外地都推出了直线电机驱动的机床产品，品种覆盖了绝大多数机床类型。 国内自1995年以来也开展了直线电机在机床上的应用研究，如广东工大研发的直线感应电机驱动的GD-3型高速数控机床进给单元，清华研究的长行程永磁直线伺服单元，北京机电院研发的直线电机驱动的加工中心，浙江大学研制的圆筒型直线电机驱动的并联机构坐标测量机和扁平永磁直线电机驱动的磨床，北京机床研究所研发的直线电机驱动的电火花成型机床，国防科大研发的活塞非圆切削中采用直线电机驱动刀具以及北航、南航与有关单位合作研发的机床等。此外，一些企业如杭州机床集团、江苏多棱数控机床股份有限公司、济南捷迈数控公司、深圳市大族激光科技股份有限公司、南京四开公司等也分别在平面磨床、

超声波电机介绍及其发展前景

河北科技师范学院欧美学院科研技能训练---综述 学生：寇鹏 学号： 9310080215 专业：电气工程及其自动化 欧美学院机电科学与工程系 2011年7月

超声波电机介绍及其应用 寇鹏 （河北科技师范学院电气工程及其自动化专业） 摘要：超声波电机与传统的电磁式电机不同，它是利用压电陶瓷的逆压电效应，将超声振动作为动力源的一种新型电机，它由振动部分和移动部分所组成，造振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动。近二十年来，由于大功率压电陶瓷材料研究的突破，在全世界掀起了超声波电机研究的高潮，相继开发出多种型式的超声波电机。关键词：超声波电机/特点/分类/应用/振动源的产生 一、超声波电机的工作原理 超声电机技术是振动学、波动学、摩擦学、动态设计、电力电子、自动控制、新材料和新工艺等学科结合的新技术。超声电机不像传统的电机那样，利用电磁的交叉力来获得其运动和力矩。超声电机则是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。 二、超声波电机的产生 20 世纪90 年代日本佳能公司研制出一种压电电动机，这种电动机的工作原理是利用逆压电效应把电能转换成机械能。常见的压电电机也是由定子和转子组成，但定子是由压电材料和金属材料组合制成，转子是由金属材料制成；压电材料把电能转换成机械振动能，激励定子金属体振动；转子与定子相接触，通过摩擦力，定子的振动驱动转子运动。由于定子的振动频率一般在大于20kHz 的超声频段，因此人们也将压电电机称为超声电机。 三、超声波电机的特点 （1）超声电机可以得到较低转速，因此输出力矩较大，可以省去减速机构直接带动负载。 （2）因为超声电机不使用电磁场作为驱动力，因此电磁辐射小。许多情况下，不希望有电机产生强电磁干扰，或者在强磁场环境中，电磁电机的正常工作会受到影响，而超声电机不需要做太多的电磁屏蔽处理就可以在这些条件下工作。 （3）超声电机依靠定、转子之间的接触摩擦作为驱动方式，关闭电源后转子就会马上停止，并在摩擦力的作用下固定不动 （4）超声电机的响应时间较短，一般在十几毫秒以内。 （5）超声电机没有电磁线圈，可以不用铜材，节省原料造价。 （6）超声电机的转速可以通过改变驱动频率进行调节，比较灵活。 （7）超声电机在很小尺寸上都可以有效工作。 四、超声电机的分类 （1）环形行波超声波电机。 在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的振动来传递能量，属连续驱动方式，其基础理论和应用技术均较成熟。 （2）小型柱体摇摆型超声波电机 目前行波型超声波电机已有较成熟的设计方法，但该型电机在小直径（小于20mm）条件下，输出性能逐渐失去低速大扭矩的特点，而且由于其结构的限制，效率也很难提高。而柱体摇摆型超声波电机采用兰杰文振子结构，机械效率高。进一步设计可实现多个不同模态之间的耦合、叠加，从而形成三自