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第九章 超声波电动机* 控制电机 第一节 超声波电动机的基本结构 第二节 超声波电动机的工作原理 第三节 超声波电动机的驱动控制 第四节 超声波电动机的应用 超声波电动机（Ultrasonic Motor — USM）是 20世纪末发展起来的一种新的微型驱动电机，它的基本结构及工作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递能量，而是基于压电材料的逆压电效应（即电致伸缩效应），利用超声波振动来实现机电能量转换。 由于这种新型电机的工作频率一般在20kHz以上，所以称为超声波电机。 第九章 超声波电动机 超声波电机打破了传统电机必须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，超声波电机具有以下特点： (1) 体积小，重量轻。 (2) 低速大转矩。 (3) 响应迅速，控制特性好。 (4) 有断电自锁功能。 (5) 与外界无相互电磁干扰。 (6) 结构形式多样化。 第九章 超声波电动机 第一节 超声波电动机的基本结构 超声波电动机的分类还没有统一的标准，按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材料相连的弹性体内激发的驻波来推动转子运动，属间断驱动方式；行波型则是在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的振动轨迹来传递能量，属连续驱动方式。目前，环形行波型超声波电动机的基础理论和应用技术均较为成熟。 第九章 超声波电动机 环形行波型超声波电动机的基本结构如图9-1所示，主要包括定子、转子、压力弹簧和转轴等部件。 第九章 超声波电动机 第二节 超声波电动机的工作原理 一、逆压电效应简介 压电效应 是 在1880年由法国的居里兄弟首先发现的。一般在电场作用下，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，并导致介质两端表面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作用而使晶体发生极化的现象，称之为正压电效应。 第九章 超声波电动机 反之，将一块晶体置于外电场中， 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现象，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。 第九章 超声波电动机 超声波电动机就是利用逆压电效应进行工作的，图9-2进一步说明了逆压电效应的作用。 当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振状态，成为压电振子。 当振动频率在20kHz以上时，就属于超声振动。 第九章 超声波电动机 二、椭圆运动及其作用 超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱动源的作用。但是，并不是任意超声振动都具有驱动作用， 它必须具备一定的形态，即振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向驱动作用。 第九章 超声波电动机 那么，怎样才能形成椭圆运动呢？设有两个空间相互垂直的振动位移ux和uy，均是由简谐振动形成， 振动角频率ω0为，振幅分别为ζx和ζy，时间相位差为φ， 即有 （9-1） 第九章 超声波电动机 （9-2） 在上式中，当 时，两个位移为同向运动，合成轨迹为一条直线；当 时，其轨迹为一椭圆，并且在 时为一规则椭圆。 第九章 超声波电动机 由此可见，相位差φ 的取值就决定了椭圆运动的旋转方向，当φ0 时椭圆运动为顺时针方向， 当φ0时椭圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决定了定子对转子的拨动方向，所以也就决定了超声波电动机的转子转向。 第九章 超声波电动机 三、行波的形成及特点 上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载，而 应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋转，也就是说这些质点需要进行行波性质的运动。 根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间和空间均相差π/2的两相驻波叠加后，将形成一个合成行波。 第九章 超声波电动机 如图9-5(a)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，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9-5(b)所示的驻波。 第九章 超声波电动机 其数学表达式为 第九章 超声波电动机 （9-3） 设在弹性体上同时存在两相驻波A和B，它们的频率同为ω0，波幅同为ζ，波长同为λ，并且在时间和空间上均相差π/2，即 （9-4） 其合成为 第九章 超声波