特种电机及其控制
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第6章 超声波电动机
1.2 USM的工作原理
A. 行波的形成
1) 高频电压驻波 将极化方向相反的压电陶瓷依 次粘贴于弹性体上，当在压电 陶瓷上施加交变电压时，压电 陶瓷会产生交替伸缩变形，在 一定的频率和电压条件下，弹 性体上会产生图示的驻波，用 方程表示为
第6章 超声波电动机
超声波电动机及其发展概况
1 超声波电动机的基本原理 2 超声波电动机的发展 3 超声波电动机的优点及其应用
4 超声波电动机的常见结构与分类
5 行波型超声波电动机的驱动控制 6 超声波电机存在的问题及研究重点
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第6章 超声波电动机
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第6章 超声波电动机
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。
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y 0 cos
2

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x cos 0 t
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第6章 超声波电动机
A.行波的形成 2) 两驻波行波
设A、B两个驻波的振幅同为0，二者在时间和空间上分别相 差90，方程分别为
y A 0 sin
2

x sin 0 t
y B 0 cos
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第6章 超声波电动机
B.弹性体表面的椭圆运动
设弹性体厚度为h。若弹性 体表面任一点P在弹性体未 挠曲时的位置为P0，则从 P0到P在y方向的位移为
2 h y 0 sin x 0t (1 cos ) 2
由于行波的振幅比行波的波长小得多，弹性体弯曲的角度 很小，故y方向 的位移近似为
第6章 超声波电动机
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(Standing Wave)，这两组驻波合成一个沿定 子弹性体圆周方向行进的行波(Progressive Wave/Travelling Wave)，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。
2

x cos 0 t
在弹性体中，这两个驻波的合成为一行波
2 y y A y B 0 cos x 0t
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A.行波的形成 3) 在USM中形成行波
USM的定子由环形弹性体和环形 压电陶瓷构成，压电陶瓷按图示 的规律极化，即可产生两个在时 间和空间上都相差90的驻波。 极化规律： 将一片压电陶瓷环极化为 A 、 B 两相区，两相区之 间有 /4的区域未极化，用作控制电源反馈信号的传感器，另 有3/4波长的区域作为两相区的公共区。极化时，每隔1/2波长 反向极化，极化方向为厚度方向。图中“+”“”代表压电片 的极化方向相反，两组压电片空间相差/4，相当于90，分别 通以同频、等幅、相位相差为 90 的超声频域的交流信号，这 样两相区的两组压电体就在时间与空间上获得 90相位差的激 振。 特种电机及其控制
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第6章 超声波电动机
1.1 超声波电动机的结构
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第6章 超声波电动机
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 (Elastic body)和压电陶瓷(Piezoelectric ceramic)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。
2 y 0 sin x 0t
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第6章 超声波电动机
B.弹性体表面的椭圆运动
从P0到P在x方向的位移为 又
h h x sin 2 2
dy 2 2 0 cos x 0t dx
超声波电动机的不同命名：如振动电动机(Vibration Motor)、 压电电动机(Piezoelectric Motor)、表面波电动机(Surface Wave Motor)、压电超声波电动机(Piezoelectric Ultrasonic Motor)、超声波压电驱动器/执行器(Ultrasonic piezoelectric actuator)等等。
所以
2 x 0 cos x 0t h
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第6章 超声波电动机
B.弹性体表面的椭圆运动
y x 1 0 0 h
弹性体表面上任意一点P按照椭圆轨迹运动，这种运动使弹性 体表面质点对移动体产生一种驱动力，且移动体的运动方向与 行波方向相反。
1 超声波电动机的基本原理 超声波电动机(Ultrasonic Motor，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。
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第6章 超声波电动机
M的调速方法
弹性体表面质点的横向运动速度为