第6章超声波电动机.ppt

超声波电动机 （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Tohgo Yamazaki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61.8 mm，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3000 r/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。 (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。 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。 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。 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。 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37 r/min，扭矩为0. 03 N· m。 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。 8.2 在手机上的应用 韩国的三星公司将长为5 mm，直径为1. 6 mm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。 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8 mm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。 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. 5 mm，厚度为2. 5 mm的超声电机的启动扭矩是0. 02 mN · m，不带负载的转动速度为2 000 r/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。 8.4 在医疗器械上的应用 美国加州大学研制的智能药片 8.5 在汽车上的应用 8.6 在机器人上的应用 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. 5 g，每秒可移动150 mm，超声电机的厚度只有0. 04 mm 。 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136 mm，高度约为85 mm，加上电池的质量为12. 3 g，持续飞行时间为3 min。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。 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3