电磁电机 超声电机
响应特性的比较
快速响应演示装置
超声电机分辨率：0.79” 伺服电机分辨率：9.89” 步进电机分辨率：25.5”
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* 断电自锁
超声电机
电磁电机
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* 电磁兼容性好； * 噪声小（在 100 毫米之内， <45 分贝）； * 可在真空和高/低温下工作； * 形状多样化：圆形、方形、圆环形和圆柱形等； * 超声电机的效率不随尺寸减小而下降。
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1、基于纵振模态
Vr
Vr
Vs
Vs
Sashida提出的首台驻波型超声电机原理
Kurosawa利用两个基于纵向振 动模态的定子的组合，研制成了驱 动效率较高的直线型电机
优点：机电转换效率高，陶瓷片分区形式简单 缺点：摩擦磨损问题严重
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三、超声电机的发展历史与现状
国外 1、概念提出阶段（20世纪40年代－70年代） （1）BaTiO3陶瓷的制备技术 （2）1948年Williams和Brown申请第一 个“压电马达”专利 （3）1961年Bulova公司利用弹性振动驱 动钟表 （4）1973年IBM公司的Barth提出超声电 机方案
智能材料集感知、驱动和信息处理于一体， 形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料， 具有自感知、自诊断、自适应、自修复等功能。
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1.超声电机(Ultrasonic motor, Ultrasonic wave
motor, Piezoelectric motor, Piezomotor, USM)：
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现代的驱动技术主要由驱动器与控制系统组 成。现代驱动技术主要分为两大类：一类为电磁 式的，另一类则为非电磁式的。
电磁类，它的驱动器包括传统改进型的电磁 驱动器与新发展型的电磁驱动器。它们中有旋转 的、直线的、磁浮的、电磁发射的等等。
非电磁类，它的驱动器包括压电的、磁致伸 缩的、记忆合金的、超导的、静电的、光驱的、 金属氢化物的等等。
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2.运动机理直流电源Βιβλιοθήκη 逆压电效应频率发生器
分频分相器
Sinωt
功放/匹配器 GND 超声电机 Cosωt
频率自动跟踪器
A B
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+
=
A (r, ) R(r) sin n B (r, ) R(r) cos n w W0 sin(kx nt)
2、纵/弯电机
Tomikawa研制的平板纵/弯 电机
Oonishi提出的 型直线型电机定子 足部的纵向振动和弯曲振动
优点：结构简单，可实现尺蠖运动。 缺点：存在模态调节的一致性问题。
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压电驱动技术的发展历史和研究现状 (超声电机)
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课程内容
一、压电驱动技术的内涵 二、超声电机的原理及特点 三、超声电机的发展历史与现状 四、超声电机的分类 五、超声电机的应用 六、南航超声电机枝术的发展
分类方法 波的传播方式
运动输出方式
定、转子的接触方式 压电元件对定子的激振方式
转子运动的自由度数 驱动点的振动位移方向相对于定子工作表面的几
何关系 定子的结构形式
类型 行波型、驻波型 旋转型、直线型 接触式、非接触式 共振式、非共振式 单自由度、多自由度
面外模态、面内模态
板式、环式、杆式
以其振动的特征来进行分类能较好地反映出超声电机的特点。按照这样 的分类方法，从现有的超声电机来看，主要有五类，即：纵振电机、纵 /弯电机、纵/扭电机、弯/弯电机和基于面内振动模态的超声电机。
wA (r, , t) WA R(r) sin n cosnt
wB (r, , t) WB R(r) cos n cos(nt )
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转子
椭圆运动
椭圆运动
行波
定子
运动机理计算机仿真
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3.超声电机的特点
* 扭矩/ 重量比大（为电磁电机的 5-10 倍)； * 不需减速齿轮箱，就能实现低速大扭矩；
B A
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三、超声电机的发展历史
2、样机研制阶段（20世纪80年代前期） （1）1982年Sashida提出驻波旋转超声电 机，解决了驱动问题； （2）1983年Sashida提出行波旋转超声电 机，解决了稳定性问题； （3）1985年Sashida提出直线超声电机方 案：环梁式和直梁式。
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低速大扭矩输出
直流电机与超声电机负载特性和效率的比较
直流电磁电机适合小力矩、高速运转的应用场合，要驱动负载 需要增加齿轮箱来减速、增矩。 超声电机适合大力矩、低速运转的场合，可直接驱动负载。
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* 响应快 (毫秒级) ，控制性能好；
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三、超声电机的发展历史
国内 起源于20世纪90年代，至今尚无大规模的工 程化应用。 （1）清华大学的微型电机 （2）浙江大学的纵/扭电机 （3）吉林大学的精密驱动器 （4）哈工大的专用摩擦材料 （5）南航大的超声电机技术
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四、超声电机的分类
20世纪80年代迅速发展起来的一种全新概念的微特电机；
它是振动和波动学、材料科学、电力电子、自动控制和超精
加工等多个学科发展和综合的结晶；
突破了传统电机的概念：
传统电机
电磁效应
超声电机
逆压电效应＋超声振动
压电效应
逆压电效应
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电磁型电机
超声电机
结构分解图
结?构?分分解解? 图
U
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三、超声电机的发展历史
3、商品化阶段（1987年至今） （1）Sashida创建Shinsei公司，正式把 行波超声电机作为商品出售； （2）Canon公司把杆式行波超声电机应用 到EOS（电子光学系统）相机镜头的调焦系 统； （3）各类不同原理、不同形式、不同性能 的超声电机被研发和应用。