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Ultrasonic Motor
特种电机及其控制
超声波电机专题知识讲座
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1 超声波电动机基本原理
3 超声波电动机优点及其应用
2 超声波电动机发展
6 超声波电机存在问题及研究重点
4 超声波电动机常见结构与分类
5 行波型超声波电动机驱动控制
教学基本要求
超声波电动机及其发展概况
分析与思索
练习题
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超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称USM)是近年来发展起来一个全新概念驱动装置，它利用压电材料逆压电效应(即电致伸缩效应)，把电能转换为弹性体超声振动，并经过摩擦传动方式转换成运动体回转或直线运动。这种新型电机普通工作于20kHz以上频率，故称为超声波电动机。
1 超声波电动机基本原理
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超声波电动机不一样命名：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。
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超声波电动机结构
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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)组成
转子为一个金属板。定子和转子在压力作用下紧密接触，为了降低定、转子之间相对运动产生磨损，通常在二者之间(在转子上)加一层摩擦材料。
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工作原理：对极化后压电陶瓷元件施加—定高频交变电压，压电陶瓷伴随高频电压幅值改变而膨胀或收缩，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摩擦材料以驱动转子旋转。
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当对粘接在金属弹性体上两片压电陶瓷施加相位差为90电角度高频电压时，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行波(Progressive Wave/Travelling Wave)，使得定子表面质点形成一定运动轨迹(通常为椭圆轨迹)超声波微观振动，其振幅普通为数微米，这种微观振动经过定子(振动体)和转子(移动体)之间摩擦作用使转子(移动体)沿某一方向(逆行波传输方向)做连续宏观运动。
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A. 行波形成
将极化方向相反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，在一定频率和电压条件下，弹性体上会产生图示驻波，用方程表示为
1) 高频电压驻波
USM工作原理
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2) 两驻波行波
设A、B两个驻波振幅同为0，二者在时间和空间上分别相差90，方程分别为
在弹性体中，这两个驻波合成为一行波
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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区域未极化，用作控制电源反馈信号传感器，另有3/4波长区域作为两相区公共区。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超声频域交流信号，这么两相区两组压电体就在时间与空间上取得90相位差激振。
3) 在USM中形成行波
USM定子由环形弹性体和环形压电陶瓷组成，压电陶瓷按图示规律极化，即可产生两个在时间和空间上都相差90驻波。
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