【正文】 s Traveling Wave 湘 潭大學(xué)興湘學(xué)院 3 第 1 章 緒論 本章主要介紹超聲波電機(jī)的概念、分類、特點(diǎn)及其應(yīng)用，總結(jié)了其發(fā)展歷史和應(yīng)用展望。 超聲 波電機(jī)的定義與發(fā)展歷史 傳統(tǒng)電機(jī)的發(fā)明和發(fā)展已有 100 多年的歷史。無論在理論上、設(shè)計(jì)方法上或制造技術(shù)上，都已達(dá)到十分完善的程度。由于它的工作原理和結(jié)構(gòu)的限制，難以滿足當(dāng)前對電機(jī)所提出的短、小、薄、低噪聲、無電磁干擾等要求。為此，世界各國都在努力研究各種新型電機(jī)。其中，二十世紀(jì)末期發(fā)展起來的超聲 波 電機(jī)算是最典型的一種。 超聲波電機(jī) （ Ultrasonic Motor，簡稱 USM） 的基本結(jié)構(gòu)及工作原理完全不同 于傳統(tǒng)的電機(jī)，沒有繞組與磁路，不以電磁作用傳遞能量，而是一種利用超聲波振動能作為驅(qū)動源的新原理電機(jī)，是電機(jī)制造、機(jī)械振動學(xué)、 摩擦學(xué) 、功能材料、電子技術(shù)和自動控制等學(xué)科 綜合交叉發(fā)展的產(chǎn)物。它將電能通過壓電陶瓷轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動能，然后又借助摩擦力將機(jī)械振動能轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于超聲波電機(jī)特殊的工作原理，它具有很多傳統(tǒng)電磁電機(jī)無法比擬的優(yōu)越性能，如低速大轉(zhuǎn) 矩 、體積小、重量輕、功率密度大、響應(yīng)速度快、微位移、不受電磁場的影響、掉電自保護(hù)、設(shè)計(jì)自由度大、 可直接驅(qū)動負(fù)載 等。 可以說，超聲 波 電機(jī)技術(shù)是處于當(dāng)今世界高 新技術(shù)之一。 雖然 USM是近二十年才備受重視并得到巨大發(fā)展的一種新型直接驅(qū)動電機(jī)，其發(fā)展史卻可追溯到五十多年以前。 50多年前，人們就知道了超聲波電機(jī)的這個驅(qū)動原理， 然而由于當(dāng)時材料與技術(shù)的局限，超聲波電機(jī)只能是“ 空中樓閣 ”， 沒有得以實(shí)現(xiàn)。一直到 80年代初，具有高轉(zhuǎn)換效率的壓電材料出現(xiàn)以后，再加上電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，才逐步研制出各種各樣的超聲波電機(jī)。據(jù)筆者收集的資料，將超聲波電機(jī)的發(fā)展歷史過程總結(jié)如下： 利用彈性振動獲得動力的嘗試是從鐘表開始的。 1961年，英國的 Bulova Watch Ltd鐘表公司首次提出了用彈性體振動能量作為驅(qū)動力的理論，并研制成音叉驅(qū)動的手表，在國際上引起了轟動。 1973年，美國 IBM公司的 ，如圖 所示。該電機(jī) 由一個轉(zhuǎn)子和兩個驅(qū)動振子構(gòu)成 ， 當(dāng)振子 (1)激振時轉(zhuǎn)子順時針方向回轉(zhuǎn) ，圖 的超聲波電機(jī) 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 4 當(dāng)振子 (2)激振時 ， 轉(zhuǎn)子逆時針方向回轉(zhuǎn)。 與此同時，前蘇聯(lián)的 研制出幾乎與 Barth相同的原理性超聲波電機(jī) 。并指出了超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、低速大轉(zhuǎn)矩、單位質(zhì)量功率大、運(yùn)動精確、能量轉(zhuǎn)換效率高等一些基本特性。 1978年，前蘇聯(lián)的 Vasiliev等成功地構(gòu)造了一種能夠驅(qū)動較大負(fù)載的超聲波電機(jī)，如圖 。 圖 前蘇聯(lián)的 Vasiliev構(gòu)造的超聲波電機(jī) 這種電機(jī)使用兩個金屬塊夾持壓電元件結(jié)構(gòu)的超聲換能器，利用振動片的縱向振動及誘發(fā)的彎曲振動，通過摩擦來使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。結(jié)構(gòu)上不僅能夠降低了共振頻率，而且放大振幅。但由于在運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，電機(jī)的磨損和發(fā)熱嚴(yán)重，很難保持振動片的恒幅振動，故也未獲得實(shí)際應(yīng)用。 使超聲波電動機(jī)真正走上實(shí)用的是日本的指田年生 ， 在 1980年成功制造了一種振動片型超聲波電動機(jī)。所用振子是用螺栓壓緊的 郎 之萬（ Langevin） 振子 ， 一種能工作在超聲領(lǐng)域的切割式振子。振子的前端面作縱向振動 ， 其上安裝楔形的振動片 ， 振動片前端跟圓板狀的轉(zhuǎn)子接觸 ， 前端的運(yùn)動軌跡是一個變形了的橢圓。這種超聲波電動機(jī)具有高速性 ， 無負(fù)荷速度是 2020rpm； 高效率 ， 最大效率達(dá) 60%； 壽命短 ，因?yàn)檎駝悠娃D(zhuǎn)子之間近乎直角的接觸 ， 兩者之間接觸和脫離瞬間的滑動無法解決 ， 因此產(chǎn)生的磨損使壽命較短。為了解決這個問題 ， 指田年生在 1982年發(fā)明了行波型超聲波電動機(jī) ， 該電機(jī)的原理利用行波在有限彈性體內(nèi)傳播時表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的橢圓運(yùn)動 ， 行波型超聲波電動機(jī)只 需改變驅(qū)動相位差即可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn) ， 而且定子、轉(zhuǎn)子之間是多點(diǎn)輪流接觸 ， 磨擦很小。行波型超聲波電動機(jī)具有良好的應(yīng)用前景 ， 引起了眾多大公司和大學(xué)的興趣 ， 爭先對超聲波電動機(jī)進(jìn)行研究和開發(fā) ， 從而使超聲波電動機(jī)進(jìn)入大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)用化開發(fā)階段。 超聲波電機(jī)的基本工作原理 如圖 所示為超聲波電機(jī)的工作基本原理示意圖。超聲波電機(jī)一般由高頻輸入電源、定子（壓電陶瓷和彈性體）和轉(zhuǎn)子（移動體和耐磨材料 )組成。在壓電陶瓷上加頻率為幾十千赫的高頻交流電源，利用逆壓電效應(yīng)即電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生幾十千赫的超聲波振動。然后，將這 種振動通過彈性體和移動體之間的摩擦力變換成旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動，或者直接用壓電振子產(chǎn)生彎曲振動驅(qū)動移動體轉(zhuǎn)動。 湘 潭大學(xué)興湘學(xué)院 5 圖 超聲波電機(jī)的基本原理示意圖 從這里可以看出，超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)原理。高頻電源產(chǎn)生信號的頻率和電機(jī)的固有頻率一致，形成共振，產(chǎn)生高頻機(jī)械振動。這種振動借助定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦耦合來驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動。這就是超聲波電機(jī)的基本工作原理。其能量轉(zhuǎn)換可分為以下兩個過程：①高頻交流通過壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換為定子的機(jī)械能；②定轉(zhuǎn)子之間通過摩擦耦合把定子的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能。 超聲波電機(jī)的分類 超聲波電機(jī)利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)及彈性體的機(jī)械振動，通過轉(zhuǎn)子與定子間的摩擦力來驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。由于壓電陶瓷的極化形式多樣，彈性體的振動模式也具有多樣性，可采用不同的振動模態(tài)來產(chǎn)生驅(qū)動力，因而可以研制出多種不同結(jié)構(gòu)的超聲波電機(jī)，如環(huán)型或盤型、直線型、球型、彎扭耦合型、縱扭復(fù)合型、非接觸型及自校正型等等。一般按照使用的波動方式的不同分為駐波型和行波型兩種。根據(jù)輸出運(yùn)動的形式不同又可以分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。根據(jù)驅(qū)動位移的量級也可以分為一般的超聲波電機(jī)和微動超聲波電機(jī)（微米級和亞微米級的驅(qū)動位移） 。而根據(jù)輸出運(yùn)動自由度的個數(shù)不同可分為單自由度與多自由度。另外還可以根據(jù)定子與轉(zhuǎn)子的接觸形式分為接觸式與非接觸式。 以上從不同的角度對超聲波電機(jī)做了整理和分類，具體分類情況可見表 11。從上面的分類中可以知道超聲波電機(jī)可以有很多種不同的形態(tài)。但是，從目前的搜集到的各國研究資料可以發(fā)現(xiàn)，回旋型超聲波電機(jī)是所有類型中結(jié)構(gòu)較簡單，用途最廣泛的一種，也是最有發(fā)展前途的一種。最常見的有駐波型超聲波電機(jī)和行波型超聲波電機(jī)。駐波型超聲波電機(jī)的特點(diǎn)是變換效率高，但旋轉(zhuǎn)的方向一定，結(jié)構(gòu)尺寸大。行波型超聲波電機(jī)湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 6 的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸 小，旋轉(zhuǎn)方向可以改變，速度和位置容易控制。 表 11 超聲波電機(jī)的分類情況 按驅(qū)動方式分 按定轉(zhuǎn)子力傳遞接觸方式分 按運(yùn)動方式分 按自由度分 超聲波電機(jī) 行波型 單一模態(tài)型 接觸 連續(xù)的局部面接觸 直線運(yùn)動 單自由度 復(fù)合模態(tài)型 連續(xù)的點(diǎn)（線）接觸 模態(tài)轉(zhuǎn)換型 斷續(xù)的整個面接觸 駐波型 單一模態(tài)型 斷續(xù)的點(diǎn)（線）接觸 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 多自由度 復(fù)合模態(tài)型 非接觸 空氣 單一模態(tài)型 液體 超聲波電機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用 超聲波電機(jī)是近二十年來發(fā)展起 來的一種新型電機(jī)。它突破了傳統(tǒng)電機(jī)的概念，沒有電磁繞組和磁路，不用電磁相互作用來轉(zhuǎn)換能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動來轉(zhuǎn)換能量。與電磁式電機(jī)相比，超聲波電機(jī)具有如下的幾個突出的優(yōu)點(diǎn)： 低速大轉(zhuǎn)矩； 體積小、重量輕； 反應(yīng)速度快、控制特性好； 無電磁感應(yīng)影響；停止時具有保持力矩； 運(yùn)行無噪音； 形式靈活，設(shè)計(jì)自由度大； 可在很低的電壓下工作； 適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。 超聲波電機(jī)以其新穎的工作原理和獨(dú)有的性能特點(diǎn)，引起人們的廣泛的注意。它有著很好的應(yīng)用前景。其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到航空航天、汽 車制造、生物工程、機(jī)器人、儀器儀表、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。從目前的研究情況來看，超聲波電機(jī) 產(chǎn)品可用 于 照相機(jī)的自動聚焦系統(tǒng)的驅(qū)動器；航空航天領(lǐng)域自動駕駛儀伺服驅(qū)動器；機(jī)器人或微型機(jī)械自動控制系統(tǒng)的驅(qū)動器；高級轎車門窗和座椅靠頭調(diào)節(jié)的驅(qū)動裝置；窗簾或百葉窗自動升降裝置； CD光盤唱頭驅(qū)動裝置；精密儀器儀表、精確定位裝置；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如人造心臟的驅(qū)動器、人工關(guān)節(jié)驅(qū)動器；強(qiáng)磁場環(huán)境條件下設(shè)備的驅(qū)動裝置，如未來的磁浮火車；不希望驅(qū)動裝置產(chǎn)生磁場的場合，如磁通門的自動測試轉(zhuǎn)臺 等 。 可以預(yù)言，隨著超聲波電機(jī)在工業(yè)界的成功應(yīng)用，將會發(fā)生一 場新的技術(shù)革命。 超聲波電機(jī)技術(shù)的展望 超聲波電機(jī)在國際上得到越來越多的應(yīng)用。專家預(yù)言 ： 21 世紀(jì)將是超聲波電機(jī)大放光芒的時代，它將有可能部分取代微、小型的傳統(tǒng)電磁電機(jī)而得到更廣泛的應(yīng)用。 可以預(yù)計(jì) ： 在 21 世紀(jì)，為了發(fā)展我國人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)、機(jī)器人、微型機(jī)械、汽車、磁浮列車以及其他精密儀器，將需要大量的、高性能的超聲波電機(jī)。超聲波電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，必將對我國國防和其他國民經(jīng)濟(jì)各部門起著重大作用 。 湘 潭大學(xué)興湘學(xué)院 7 超聲波電機(jī)作為一種新型驅(qū)動器，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。超聲波電機(jī)正經(jīng)歷一個從研究開發(fā)向?qū)嶋H應(yīng)用 的轉(zhuǎn)折時期，相信 經(jīng)過工程化、商品化研制， 超聲波電機(jī)將會使整個機(jī)械、電子工業(yè)和人類生活產(chǎn)生一次巨大的變革。 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 8 第 2 章 行波型超聲波電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理 我們知道，行波型超聲波電機(jī)是借助于行波的周向傳播來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的。行波使定子與轉(zhuǎn)子相接觸的表面質(zhì)點(diǎn)沿橢圓軌跡轉(zhuǎn)動，利用定子與轉(zhuǎn)子接觸處的摩擦力推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，這是行波型超聲波電機(jī)傳動的最基本的工作原理， 如圖 所示 。利用這個基本原理，人們制造出了各式各樣的行波型超聲波電機(jī)，如 Panasonic 公司的盤形行波型超聲波電機(jī)； Canon 公司的環(huán)形行波型超聲波電機(jī)。行波超聲 波電機(jī) 主要由定子、轉(zhuǎn)子及驅(qū)動與控制裝置組成。 橢圓運(yùn)動的分析 行波型超聲波電機(jī)定子上的壓電陶瓷在二相交變電壓作用下，在彈性體內(nèi)形成兩個時空相差為 90176。的彎曲振動駐波 ， 進(jìn)而在彈性體定子內(nèi)合成一個沿圓環(huán)周向旋轉(zhuǎn)的彎曲振動行波，行波使彈性體與運(yùn)動體相接觸的表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動。 根據(jù)參考文獻(xiàn) ? ?2,8 將圓環(huán)展開成直梁，定子內(nèi)的彎曲行波如圖 所示。設(shè)彈性體的厚度為 h，行波波長為? ?nL? ， L為定子周長， n為 定子環(huán)上駐波的波數(shù)，彎曲振動的橫向位移振幅為 0? ，角頻率為ω，那么在彈性體內(nèi)中性層的行波方程為 ?????? ?? txw ???? 2sin0 (21) 若把彈性體表面上任一點(diǎn)設(shè)為 P ，未彎曲時的位置設(shè)為 0P 。當(dāng)彎曲角為 ? 時，從 0P到 P 的厚度方向的橫向位移 ? 為 ? ??????? c os122s in0 ???????? ?? htx (22) 圖 行波型超聲波電機(jī)的工作原理圖 圖 定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動分析圖 湘 潭大學(xué)興湘學(xué)院 9 因?yàn)閺澢駝拥恼穹?0? 遠(yuǎn)比彎曲振動的波長 ? 小，彎曲角 ? 也很小，所以橫向位移可 近似表示為 ?????? ?? tx ????? 2sin0 (23) 同樣，當(dāng)彎曲角為 ? 時，從 0P 到 P 的縱向位移 ? 為 ??? 2sin2 hh ???? (24) 因?yàn)閺澢?? 可用下式表述 ?????? ??? txdxdw ??????? 2c os20 (25) 故縱向位移近似于 ?????? ????????? txh ??????? 2c os0 (26) 因此，橫向位移 ? 與縱向位移 ? 間關(guān)系式為 12020?????????????????? ??? ??? h (27) 可見，上式為二次曲線橢圓軌跡方程。這就證明了彎曲行波是可以形成質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動軌跡的。進(jìn)一步分析可知它沿橢圓軌跡的逆時針方向運(yùn)動，橢圓的短軸和長軸之比為 ??h 。定子表面質(zhì)點(diǎn)的縱向速度 sv 為 ?????? ?????????? txhdtdv s ????? ??? 2s in0 (28) 式中負(fù)號表示定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方向與行波傳播方向相反。 當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子在行 波波峰處相接觸，即 ? ?sin 2 1xt? ? ???，若轉(zhuǎn)子與定子間無滑動，轉(zhuǎn)子就獲得定子表面質(zhì)點(diǎn)波峰處的縱向速度。其轉(zhuǎn)子速度為 ? ??????? ? ? 22 00????????????????hhvr o to r (29) 由此可見，旋轉(zhuǎn)行波型超聲波電機(jī)是利用定子行波波峰處質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動的縱向速度使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度即為定子表面質(zhì)點(diǎn)的縱向速度。 通過對