超聲波電機(Ultrasonic Motor)

在瞭解新型的驅動器時,看到瞭一種新的電機,在網上搜集瞭一些資料,大概總結整理一下。

定義

超聲波電動機(Ultrasonic Motor)是以超聲頻域的機械振動為驅動源的驅動器。由於激振元件為壓電陶瓷,所以也稱為壓電馬達。超聲波電動機由定子(振動體)和轉子(移動體)兩部分組成。但電機中既沒有線圈也沒有永磁體,其定子由彈性體(Elastic body)和壓電陶瓷(Piezoelectric ceramic)構成。

工作原理

轉子為一個金屬板。定子和轉子在壓力作用下緊密接觸,為瞭減少定、轉子之間相對運動產生的磨損,通常在二者之間(在轉子上)加一層摩擦材料。

壓電陶瓷促動器上被施加預應力,通過一個耦合元件抵住移動導向轉子。在高頻交流電壓的作用下,壓電陶瓷促動器被激發產生超聲波振動。促動器的變形使耦合元件相對於轉子產生周期性的對角運動。建立的進給為幾納米每循環;高頻率帶來高速度。

超聲波電機的分類

直線型

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環狀或盤式型

特點與應用:

特點

  1. 低速大轉矩: 在超聲波電機中,超聲振動的振幅一般不超過幾微米,振動速度隻有幾厘米每秒到幾米每秒。無滑動時轉子的速度由振動速度決定,因此電機的轉速一般很低,每分鐘隻有十幾轉到幾百轉。由於定子和轉子間靠摩擦力傳動,若兩者之間的壓力足夠大,轉矩就很大。
  2. 體積小、重量輕: 超聲波電機不用線圈,也沒有磁鐵,結構相對簡單,與普通電機相比,在輸出轉矩相同的情況下,可以做得更小、更輕、更薄。
  3. 反應速度快,控制特性好: 超聲波電動機靠摩擦力驅動,移動體的質量較輕,慣性小,響應速度快,起動和停止時間為毫秒量級。因此它可以實現高精度的速度控制和位置控制。
  4. 無電磁幹擾: 超聲波電動機沒有磁極,因此不受電磁感應影響。同時,它對外界也不產生電磁幹擾,特別適合強磁場下的工作環境。在對EMI(電磁幹擾)要求嚴格的環境下,采用超聲波電機也很合適。
  5. 停止時具有保持力矩: 超聲波電動機的轉子和定子總是緊密接觸,切斷電源後,由於靜摩擦力的作用,不采用剎車裝置仍有很大保持力矩,尤其適合宇航工業中失重環境下的運行。
  6. 形式靈活,設計自由度大: 超聲波電動機驅動力發生部分的結構可以根據需要靈活設計。

應用

超聲波電動機在宇航、機器人、汽車、精密定位、醫療器械、微型機械等領域已得到成功的應用。日本Canon公司將超聲波電機用於其EOS620/650自動聚焦單鏡頭反射式照相機中;歐洲將超聲波電機用於實驗平臺及微動設備,如1986年獲Nobel物理學獎的掃描隧道顯微鏡(STM);

航空航天領域:

航空航天器往往處在高真空、極端溫度、強輻射、無法有效潤滑等惡劣條件中,且對系統重量要求嚴苛,超聲電機是其中驅動器的最佳選擇。

精密儀器儀表:

電磁電機用齒輪箱減速來增大力矩,由於存在齒輪間隙和回程誤差,難以達到很高定位精度,而超聲電機可直接實現驅動,且響應快、控制特性好,可用於精密儀器儀表。

機器人的關節驅動:

用超聲電機作為機器人的關節驅動器,可將關節的固定部分和運動部分分別與超聲電機的定、轉子作為一體,使整個機構非常緊湊。日本開發出球型超聲電機,為多自由度機器人的驅動解決瞭諸多的難題。

微型機械技術中的微驅動器

微型電機作為微型機械的核心,是微型機械發展水平的重要標志。微電子機械系統(micro electronic mechanical systems,縮寫MEMS)的制造研發中,其電機多是毫米級的。醫療領域是微機械技術運用最具代表性的領域之一,超聲電機在手術機器人和外科手術器械上已得到應用。

電磁幹擾很強或不允許產生電磁幹擾的場合:

在核磁共振環境下和磁懸浮列車運行的條件下,電磁電機不能正常工作,超聲電機卻能勝任。

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