[超声波电机]超声波电机原理
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超声波电动机及其发展概况
1 超声波电动机的基本原理 2 超声波电动机的发展 3 超声波电动机的优点及其应用 4 超声波电动机的常见结构与分类
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5 行波型超声波电动机的驱动控制
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6 超声波电机存在的问题及研究重点
教学基本要求 分析与思考
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练习题
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1 超声波电动机的基本原理
超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称USM)
是近年来发展起来的一种全新概念的驱动装置，它 利用压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应)，把 电能转换为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的 方式转换成运动体的回转或直线运动。这种新型电 机一般工作于20kHz以上的频率，故称为超声波电 动机。
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超声波电动机的不同命名：如振动电动机(Vipation 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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1.1 超声波电动机的结构
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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)构成
转子为一个金属板。定子和转子在压力作用下紧密接触，为 了减少定、转子之间相对运动产生的磨损，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：对极化后的压电陶瓷元件施加—定的高频交变电 压，压电陶瓷随着高频电压的幅值变化而膨胀或收缩，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 接触的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的两片压电陶瓷施加相位差为90°电角度的高频电压 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的行波(Progressive Wave/Travelling Wave)，使得定 子表面的质点形成一定运动轨迹(通常为椭圆轨迹)的超声波微观振动，其振 幅一般为数微米，这种微观振动通过定子(振动体)和转子(移动体)之间的摩 擦作用使转子(移动体)沿某一方向(逆行波传播方向)做连续宏观运动。
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1) 高频电压→驻波
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1.2
USM的工作原理
A. 行波的形成
将极化方向相反的压电陶瓷依 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 一定的频率和电压条件下，弹 性体上会产生图示的驻波，用 方程表示为
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2π
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y = ε 0 cos
λ
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x cos ω 0 t
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A.行波的形成 2) 两驻波→行波
设A、B两个驻波的振幅同为ε0，二者在时间和空间上分别相 差90°，方程分别为
y A = ε 0 sin
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2π
λ
x sin ω 0 t
在弹性体中，这两个驻波的合成为一行波
⎛ 2π ⎞ y = y A + y B = ε 0 cos⎜ x − ω 0t ⎟ ⎝ λ ⎠
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y B = ε 0 cos
2π
λ
x cos ω 0 t
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A.行波的形成 3) 在USM中形成行波
USM的定子由环形弹性体和环形压 电陶瓷构成，压电陶瓷按图示的 规律极化，即可产生两个在时间 和空间上都相差90°的驻波。
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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 λ /4的区域未极化，用作控制电源反馈信号的传感器，另有 3/4波长的区域作为两相区的公共区。极化时，每隔1/2波长反 向极化，极化方向为厚度方向。图中“+”“−”代表压电片的极化 方向相反，两组压电片空间相差λ/4，相当于90°，分别通以同 频、等幅、相位相差为90° 的超声频域的交流信号，这样两相 区的两组压电体就在时间与空间上获得90°相位差的激振。
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B.弹性体表面的椭圆运动
设弹性体厚度为h。若弹性 体表面任一点P在弹性体未 挠曲时的位置为P0，则从P0 到P在y方向的位移为
⎛ 2π ⎞ h ε y = ε0 sin⎜ x −ω0t ⎟ − (1− cosθ ) ⎝λ ⎠ 2
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由于行波的振幅比行波的波长小得多，弹性体弯曲的角度θ 很小，故y方向 的位移近似为
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⎛ 2π ⎞ x − ω 0t ⎟ ε y ≈ ε 0 sin ⎜ ⎝ λ ⎠
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B.弹性体表面的椭圆运动
从P0到P在x方向的位移为
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又 所以
h h ε x ≈ − sin θ ≈ − θ 2 2
2π dy ⎞ ⎛ 2π cos⎜ = ε0 x − ω 0t ⎟ θ= λ dx ⎠ ⎝ λ
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⎛ 2π ⎞ ε x = −πε 0 cos⎜ x − ω 0t ⎟ λ ⎝ λ ⎠ h
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B.弹性体表面的椭圆运动
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⎛ ε y ⎞ ⎛ εx ⎞ ⎜ ⎟ +⎜ ⎟ =1 ⎝ ε 0 ⎠ ⎝ πε 0 h λ ⎠
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弹性体表面上任意一点P按照椭圆轨迹运动，这种运动使弹性 体表面质点对移动体产生一种驱动力，且移动体的运动方向与 行波方向相反。
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C.USM的调速方法
弹性体表面质点的横向运动速度为
dε x h ⎛ 2π ⎞ vp = x − ω 0t ⎟ = −πω 0ε 0 sin ⎜ dt λ ⎝ λ ⎠
横向速度在行波的波峰和波谷处最大。若假设在弹性体与移动体接触
处的 滑动为零，则移动体的运动速度与波峰处质点横向速度相同。其最大速度 为
vmax
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h = −πω 0ε 0 = −2π f ε 0 λ v
2 2
V——行波在定子中的传播速度 f ——电机的激振频率
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h
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调节激振频率可以调节电机的转速，但是有非线性。在保持 两相驻波等幅的前提下，若忽略压电陶瓷的应变随激励电压 的非线性，改变驻波的振幅ε0，即调节压电陶瓷的激振电 压，可以做到线性调速，这是调压调速的一大优点。
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1.
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超声波电动机的发展
超声波电动机的发展大体可分为以下三个阶段： 探索阶段(1948年——20世纪70年代末) USM 原型出现
2. 实用化阶段(20世纪70年代末——80年代末) 商用USM 产品出现
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3. 深层次研究(20世纪90年代——)
机理、材料、结构、驱动控制、应用 多样化
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1. 探索阶段(1948年——20世纪70年代末)
1）超声波电动机的概念出现于1948年，英国的Williams和Brown申请了“压 电电动机(Piezoelectric Motor)”的专利，提出了将振动能作为驱动力的设 想，然而由于当时理论与技术的局限，有效的驱动装置未能得以实现。
2）1961年，Bulova Watch Ltd．公司首次利用弹性体振动来驱动钟表齿 轮，工作频率为360Hz，这种钟表走时准确，每月的误差只有一分钟，打破 了那个时代的纪录，引起了轰动。
3）前苏联学者V. V. Lavrinenko 于1964年设计了第一台压电旋转电机，此 后前苏联在超声波电机研究领域一度处于世界领先水平，如设计了用于微 型机器人的有2 或3 个自由度的超声波电机、 人工超声肌肉及超声步进电机 等。不过，由于语言等方面的原因, 前苏联的一些重要研究成果并未被西方 科学界所充分了解。 4）1969 年，英国Salfod 大学的两名教授介绍了一种伺服压电电机，这种电 机采用二片式压电体结构，其速度、运动形式和方向都可以任意变化，响 应速度也是传统结构电机所不能及的。 5）美国IBM 公司的Barth 也在1973 年提出了一种超声波电动机的模型，从 而使这种新型电机可以实现真正意义上的工作。
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2. 实用化阶段(20世纪70年代末——80年代末)
1978年，前苏联的Vasiliev成功地构造了一种能够驱动较大负载的压电超 声波电动机，这种电机使用由位于两个金属块之间的压电元件所组成的超 声换能器，将该换能器激起与转子接触的振动片纵向振动，通过振动片与 转子间的摩擦来驱动转子转动。这种结构的优点在于不仅能降低共振频 率，而且能放大振幅，遗憾的是，这种电机在运转时由于温度的升
高、摩 擦及磨损等原因，很难保持振动片的恒幅振动。
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日本的T. Sashida在Vasiliev的研究基础上，于1980年提出并成功地制造 了一种驻波型超声波电动机。该电机使用Langevin激振器，驱动频率为 27.8 kHz，电输入功率为90W，机械输出功率为50W，输出扭矩为0.25N⋅m， 首次达到了能够满足实际应用的要求，但由于振动片与转子的接触是固定 在一个位置上，仍存在着接触表面上摩擦和磨损等问题。
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1982年，Sashida又提出并制造了另一台超声波电动机 —— 行波型超声波 电动机，从原来的由驻波定点、定期推动转子变换成由行波连续不断地推 动转子，大大地降低了定子与转子接触面上的摩擦和磨损。这种电机能够 运转的实质就是定子表面的质点形成了椭圆运动。之后，在日本掀起了利 用各种振动模态的研究热潮，如利用纵向、弯曲、扭转等振动来获得椭圆 运动。这种电机的研究成功，为超声波电动机走向实用阶段奠定了基础。
1987年，行波超声波电动机终于达到了商业应用水平。此后许多超声波电 动机新产品不断地研制出来并推向市场。到20世纪80年代中期日本已形成 三个系列的超声波电动机：即日立马克赛尔公司的驻波扭转耦合器系列、 松下电器公司的行波系列和新生公司的弯曲波模态系列。除日本外， Electro Mechanical Systems 公司也推出了英国第一个商用超声波电动 机系列产品——USR30。
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3. 深层次研究(20世纪90年代——)
在20世纪80年代，国外的研究工作主要集中在研究新的驱动机理、构造新 的结构形式、开发新型电机等方面，着重于动力传输的实现，尚未能顾及 到性能的改善。由于对超声波电动机的基础理论研究得不够透彻，没有形 成完整的设计理论，使超声波电动机的研究带有一定程度的盲目性。直到 90年代后，超声波电动机的建模、性能预测等理论问题才开始引起关注， 但至今尚无系统的论述。 目前，世界各国对超声波电动机的研究极为活跃，超声波电动机的研究趋 向多元化。例如，美国利用其先进的材料和IC工艺研制出的微型超声波电 动机，其尺寸仅有数百微米(250μm×500μm×2μm)，驱动电压的典型值是 5V ， 最 低 为 1.5V ， 转 速 为 150r/min 。 而 大 型 超 声 波 电 动 机 的 扭 矩 达 400N⋅m。
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3 超声波电动机的优点及其应用
超声波电动机将电致伸缩、超声振动、波动原理这些毫不相干的概念与 电机联系在一起，创造出一种完全新型的电动机。
(1) 低速大转矩:
在超声波电机中，超声振动的振幅一般不超过几微
米，振动速度只有几厘米每秒到几米每秒。无滑动时转子的速度由振动 速度决定，因此电机的转速一般很低，每分钟只有十几转到几百转。由 于定子和转子间靠摩擦力传动，若两者之间的压力足够大，转矩就很 大。
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(2) 体积小、重量轻: 超声波电机不用线圈，也没有磁铁，结构相
对简单，与普通电机相比，在输出转矩相同的情况下，可以做得更小、 更轻、更薄。 (3) 反应速度快，控制特性好: 超声波电动机靠摩擦力驱动，移动 体的质量较轻，惯性小，响应速度快，起动和停止时间为毫秒量级。因 此它可以实现高精度的速度控制和位置控制。
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3 超声波电动机的优点及其应用
4) 无电磁干扰: 超声波电动机没有磁极，因此不受电磁感应影响。同
时，它对外界也不产生电磁干扰，特别适合强磁场下的工作环境。在对 EMI(电磁干扰)要求严格的环境下，采用超声波电机也很合适。
(5) 停止时具有保持力矩: 超声波电动机的转子和定子总是紧密接
触，切断电源后，由于静摩擦力的作用，不采用刹车装置仍有很大保持力 矩，尤其适合宇航工业中失重环境下的运行。
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(6) 形式灵活，设计自由度大: 超声波电动机驱动力发生部分的结
构可以根据需要灵活设计。
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3 超声波电动机的优点及其应用
由于超声波电动机具有电磁电机所不具备的许多特点，尽 管它的发明与发展仅有20多年的历史，但在宇航、机器 人、汽车、精密定位、医疗器械、微型机械等领域已得到 成功的应用。 日本Canon公司将超声波电机用于其EOS620/650自动聚焦单 镜头反射式照相机中； 欧洲将超声波电机用于实验平台及微动设备，如1986年获 Nobel物理学奖的扫描隧道显微镜(STM)； 美国在宇宙飞船、火星探测器、导弹、核弹头等航空航天 工程中也都陆续应用了超声波电动机。
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Tiny, Ultrasonic, Piezoelectric Motors Penn State University，USA
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China Develops World"s Thinnest Ultrasonic Motor (People"s Daily Online, December 06, 2001)
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清华大学研制的微型超 声电机（2001）
The white cylindrical motor, developed by China"s prestigious Qinghua University, is 5-millimeter long and weighs 36 mg. Its diameter is only one millimeter. The mini motor can be used in medical applications, bioscience and national defense.
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日本Canon 公司将USM用于 照相机的聚焦系统
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NASA 将超声电机用于空间机器人技术
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Coddar Space F ligh t Cen ter 将超声电机应用于空间机器人 技术。其中
微型机器手MicroArm I 使用了具有力矩0. 05 Nm 的超声电机。火星机器手MarsArm II 使用了3个具有力 矩为0. 68Nm 和一个具有0. 11 Nm 的超声电机
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美国Vanderbilt 大学将超声电机应用于微型飞行器
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美国加州大学研制的智能药片
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4 超声波电动机的常见结构与分类
(1) 环状或盘式行波型超声波电动机
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由底部粘接着压电陶瓷元件的环状定子和环状转子构成。对极化后的压电 陶瓷元件施加—定的高频交变电压，在定子弹性体中形成沿圆周方向的弯 曲行波。对定、转子施加一定的预压力，转子受到与行波传播方向相反的 摩擦力作用而连续转动，定子上的齿槽用于改善电机的工作性能。
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(2) 直线式行波型超声波电动机
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双 Langevin 振 子 型 ： 利 用 两 个 Langevin压电换能器，分别作为激 振器和吸振器，当吸振器能很好地 吸收激振器端传来的振动波时，有 限长直梁似乎变成了—根半无限长 梁，这时，在直梁中形成单向行 波，驱动滑块作直线运动。当互换 激振器与吸振器的位置时，形成反 向行波，实现反向运动。
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单轨型直线超声波电动机，把金属两 端焊接起来形成田径跑道状的定子轨 道，并在上面设置具有压紧装置的移 动体(滑块)。压电陶瓷片粘在导轨的 背面，通过两相时间、空间互差90° 电角度的压电陶瓷横向伸缩，在封闭 的弹性导轨中激发出由两个同频驻波 叠加而成的行波，以此驱动压紧在导 轨上的滑块做直线运动。
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(3) 驻波型超声波电动机
Sashida研制的楔形驻波型超声波电动机: 由Langevin振子、振子前端的楔形振动片 和转子三部分组成。
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振子的端面沿长度方向振动，楔形结构振动片的前端面与转子表面稍微 倾斜接触(夹角为θ)，诱发振动片前端产生向上运动的分量，产生横向共 振，纵横振动合成的结果，使振动片前端质点的运动轨迹近似为椭圆。 振动片向上运动时，振动片与转子接触处的摩擦力驱动转子运动；向下 运动时，脱离接触，没有运动的传递，转子依靠其惯性保持方向向上的 运动状态。 这种电机设计简单，但存在两个缺点：在振动片与转子接触处磨损严 重；转子转速较难控制，仅能单方向旋转。
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(3) 驻波型超声波电动机
日立Maxell公司的改进型驻 波超声波电动机，采用机械 扭转连接器取代了楔形振动 片，借助扭转连接器将压电 振子产生的纵向振动诱发出 扭转振动，两种振动在扭转 连接器前端合成质点椭圆运 动轨迹，驱动转
子旋转。这 种电机转速达到120r/min， 输出转矩1.3N⋅m，能量转换 效率为80％，超过传统电磁 型电机。
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采用扭转连接器的驻波型超 声波电动机
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驻波超声波电动机是利用在弹性体内激发的驻波来驱动移 动体移动。但是，单一的驻波并不能传递能量，因为弹性体 表面质点作同相振动。因此，驻波型超声波电动机通过激发 并合成相互垂直的两个驻波，使得弹性体表面质点作椭圆振 动，直接或间接地驱动移动体运动而输出能量。 根据激励两个驻波振动的方式不同,驻波超声波电动机分为 纵扭振动复合型: 纵扭振动复合型 采用两个独立的压电振子分别激发互相垂直的两个
驻波振动，合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹。
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模态转换型： 模态转换型 模态转换型仅有一个压电振子激发某一方向的振动，再
通过一个机械转换振子同时诱发与其垂直的振动，二者合成弹性体表面 质点的椭圆振动轨迹，驱动移动体运动。（如前两例）
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纵扭复合型超声波电动机结构——定子由两个独立的振子所 组成：纵向振子控制定子与转子之间的摩擦力(正压力)；扭 转振子控制输出转矩。
由于两种复合运动可独立控制，所以其输出转矩大，工作稳定，可双向 运动，并且为设计者提供了较大的设计空间。
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（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。
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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。
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(5) 多自由度超声波电动机
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两自由度超声波电动机
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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。
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三自由度超声波电机
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行波型 超 声 波 电 动 机 驻波型
直线式 按结构和运动形式分 旋转式 接触式 非接触式 单自由度式 多自由度式
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按弹性体和运动体的 接触情况分
按转子运动的自由度分
按结构和运动形式分
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直线式 旋转式 接触式
按弹性体和运动体的 接触情况分
非接触式
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按激励两个驻 波的方式分
纵扭复合型 模态转换型
超声波电动机的分类
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5 行波型超声波电动机的驱动控制
(1)控制电压幅值,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。 (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。 (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。
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行波USM的常用控制方式:
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USM频率控制的的驱动与控制电路框图
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USM的几种控制策略
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USM与传统电磁式电机相比有无可替代的优点，但是它也存在一些问 题： (1) 控制困难 : 从理论上来说，目前超声波电机仍然没有一个准确的 数学模型来对其振动过程和运动过程进行系统的描述。由于压电材料 的特殊性、摩擦发热和环境变化等问题，驱动转子的摩擦力将产生严 重的非线性变化。这种变化使控制电机匀速转动的难度大大增加。此 外，由于压电材料的特殊性，使得每一台超声波电动机所需要的驱动 电源都不相同，这样，电机和电源必须一一配套，不利于大规模生 产。
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6 超声波电机存在的问题及研究重点
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(2) 寿命较短 : 超声波电机的寿命大约2000小时，与传统电机相比， 长时间工作的耐久性不尽人意。 (3) 运行效率较低 : 由于超声波电机的理论和计算方法及其结构设计 方法还不成熟，电机运行效 率较低，只有10%~40%，而传统的电磁电 机可达80% 以上。
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目前还需要就超声波电动机的理论、实验和材料展开深入研 究，做好以下重要课题： (1) 超声波电动机是一个机电耦合的动力学系统，超声波电动 机理论研究的核心就是建立这个系统的机电耦合动力学模型。 它涉及超声波电动机的定子/转子动力特性、驱动电源的输出 动态特性、控制系统动态特性以及三者结合在一起，构成相互 影响、相互耦合的统一的动力学模型。
(2) 定子/转子界面接触模型和定子/转子摩擦学的研究。 (3) 超声波电动机是通过压电陶瓷元件将电能转换为定子(弹 性体)的高频微振动，并通过定子/转子间接触(摩擦)把高频微 振动转换成转子(移动体)的宏观运动。能量转换和传递涉及到 三种重要材料：压电陶瓷材料、摩擦材料和胶粘剂。必须加强 对这三种材料的研制。
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(4) 从压电材料变形的角度而言，超声波电动机定位精度高， 可达nm 级。但实际上由于材料、加工、装配、环境和负载特 性的影响，超声波电动机是一个非线形、时变系统，定位精度 受到影响。所以，必须采用智能控制策略对系统进行闭环控 制，以提高超声波电动机伺服系统的精度。
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(5) 在超声波电动机的理论研究和材料发展的基础上，还要做 大量的实验研究。其中包括超声波电动机性能试验、超声波电 动机的寿命试验、可靠性试验和环境(高、低温、湿度和真空) 试验以及有关试验设备的研制。 (6) 进行超声波电动机低成本、长寿命、可靠性设计和先进制 造技术的研究。 (7) 发展新型超声波电动机技术。其中包括新型超声波电动机 运动机理及其机电耦合动力学模型，新的模态变换方法，研制 大功率超声波电动机、微型超声波电动机和非接触式超声波电 动机等等。
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