概述超声波电动机(Ultrasonic Motor简称USM),是利用压电材料的逆压电效应为激励使定子弹性体在超声频段产生微观机械振动,并通过定子和转子(或动子)之间的摩擦作用,将定子的微观振动转换成转子(或动子)的宏观的单方向转动(或直线运动)。它打破了传统电机需由电磁效应获得转矩和转速的概念。64284

超声波电动机的发展三个阶段[3]:

1.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

3.深层次研究(20世纪90年代至今)机理、材料、结构、驱动控制、应用多样化

20世纪40年代,压电陶瓷材料的发现促进了压电驱动技术的发展。第一台超声波电机模型,它揭示了超声波电机的基本原理,但由于当时加工技术和材料性能的限制,使得超声波电机没有得到快速发展。

第一台超声波电机模型1970年至1972年,德国西门子公司和日本松下电器公司开发出一种利用压电谐振工作的直线驱动机械,这种压电振子的谐振频率约几十千赫兹,其振幅较小,无法获得较大的转矩和转速,松下公司为此电机申请了专利,这也是超声波电机的第一个有样机的专利。1973年,IBM公司的Barth提出了具有现代超声波电机原理的结构方案。此电机运用压电元件使楔形的压电振子产生振动压电振子的楔形端面与转子表面接触、摩擦来驱动转子运动。当压电振子1激振时,转子顺时针方向回转;当压电振子2激振时,转子逆时针方向回转。1981年,立陶宛的Vasiliev等成功的研制出了一种能够驱动较大负载的超声波电机。这种电机的定子为一个兰杰文(Langevin)振子所组成的超声波换能器,利用此换能器激励与转子接触的振动片的纵向振动,再通过该振动片与转子间的摩擦来驱动转子。这种结构的好处在于既降低了工作频率,又增大了振幅。最初该电机应用于唱片机转盘的驱动,是那个时代最先应用于实际的压电驱动器。1982年,日本的指田年生提出并制造了驻波型压电超声波电机,这种压电超声波电机第一次在性能上达到了实际使用的要求。但是也存在一些不足,该电机的振动片与转子固定在同一个位置上,接触表面上磨损较为严重,使得电机寿命较短。为了解决这个问题,指田年生在1983年设计出了行波型超声波电机。此电机实现了由定点定期推动转子转动改变为连续不断的推动转子运动,从而大大降低了定子与转子接触面上的摩损。论文网

我国超声波电机研究的起步和美、德、法、韩国等国差不多。自“首次全国超声电机技术研讨会”后,超声波电机更受到各方面的关注,特别是得到国家自然科学基金会和863高技术专家组的大力支持和资助。我国的超声波电机技术得到较快的发展,先后有清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、长春光机所、哈尔滨工程大学水声研究所、吉林工业大学、南京航空航天人学、北京科技大学、天津大学、上海冶金研究所、华中科技大学、东南大学、信息产业部电子第21研究所等十几所单位开展了对超声波电机的研究。其内容涉及超声波电机运动机理、谐振频率计算、驱动电路设计、控制方法以及样机的研制和试验,基本型式几乎涵盖目前所出现的所有超声波电机类型。在超声波电机的研究领域里,比较著名的学者有赵淳生教授,胡敏强教授,陈维山教授,郭吉丰教授  ,陈永校教授。南京航空航天大学在赵淳生教授的带领下研制了多种不同型号的超声波电机。清华大学物理系已研制成直径l0mm,  5mm,  3 mm,  1.5mm,  lmm的多种微型超声波电机,空载转速数百转到上千转,且转速可调,力矩从几微牛米到几百微牛米,可为医用超声内窥镜的超声探头提供驱动源,进而为形成一体化结构打下了良好应用基础。他们在新型超声波电机的运行机理、产业化应用、驱动控制、实验及测量等方面取得了重大研究成果。

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