超声波电机论文

与传统的电机不同，超声波电机无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。一般由振动体(相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成)和移动体(相当于传统电机中的转子，由弹性体和摩擦材料及塑料等制成)组成。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使定子在超声频段(频率为20KHZ以上)产生微观机械振动。并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动。实现超声波驱动有两个前提条件：首先，需在定子表面激励出稳态的质点椭圆运动轨迹；其次，将定子表面质点水平方向的微观运动转换成转子的宏观运动或平动。第一个前提条件对应着机电能量转换，利用逆压电效应由电能转化成机械振动能：第二个前提条件对应着运动形式转化，往往通过定转子间的摩擦力来实现，近年来亦有通过气体或液体为中间介质接触为非接触型超声波电机，也称为声悬浮超声波电机。从超声电机的工作原理可见，其正常工作离不开两个能量转换作用：机电转换作用和摩擦转换作用。机电转换作用是指压电陶瓷的逆压电效应，即对压电陶瓷振子加高频振荡电流，使它以超声波的频率振动。摩擦转换作用是指弹性体(定子与压电陶瓷的合称)的振动经过定子与转子工作面间的摩擦作用转化成转子的直线运动或旋转运动。要保证大力矩输出、止动性好，必须满足的条件就是有效足够的机电转换作用和有效稳定的摩擦转换作用。

超声电机作为一种新型的微电机，在轿车电器、办公自动化设备、精密仪器仪表、计算机、工业控制系统航空航天、智能机器人等领域都有着广泛的应用前景。根据超声波电机的研究成果，目前国外已经成功应用于照相机的自动焦距装置、传送装置、自动升降装置、精密绘图仪、微机械驱动器等领域。（1）光学机器超声波电机在照相机、摄像机、显微镜等光学仪器的聚焦系统中作为驱动原件，能获得很满意的效果。接触式USM具有低速大转矩的特点，在许多应用场合中可免去减速装置直接驱动。最典型的应用于照相机的自动焦距镜头中，与采用传统电机镜头相比，具有安静、无电磁噪声；定位精度高；调焦时间短；无齿轮减速、机构简单等优点。光学显微镜，自动焦距，显微定位，微纳米计算尺，LCD等显示平板的生产测试检查，晶片检查定位，消除振动系统，天文观测仪器，自适应光学系统，微型扫描仪，基因处理，微型手术，光学镜面调整等都应用了超声波电机。（2）汽车超声波电机用于汽车车窗的驱动装置中，可使它体积扁小、低速时具有大转矩的优点发挥得淋漓尽致。它还可用于磁悬浮列车上，为使列车悬浮于轨道上，使通过轨道上线圈的超导电流产生强磁场，需要大力矩和控制性能良好的驱动器，这对于USM来说是最适合的。(3)航天中的运用电机在低温和真空条件下的运行特性对航空航天的发展是极为重要的。超声波电机具有的结构简单、重量轻、不受磁场干扰、真空下无需润滑油的优点，是电磁电机在航空航天领域所不具有的。1995年末，美国航空航天局喷气推进实验室首次将直线超声波电机用于多功能爬行系统，该系统用于航天飞船外舱壁的检查，其承载重量与自重比达10：1。利用其低速大力矩和高精度等特点，NASA将其用于火星探测器的轻量机械臂上，采用超声波电机取代有刷直流电机后，Mars ArmⅡ结构虽与Mars ArmⅠ相似，但重量减轻了40%，其主要原因是用超声波电机能直接驱动，另外还可大大缩小工作空间，如NASA的Calileo航天器上的滤波齿轮(Filter wheel)在使用超声波电机前后的尺寸缩小了4倍。利用其驱动方式灵活的特点，日本宇宙研究所研制了两种直线超声波电机用于空间伸展结构的伸展和收缩。利用超声波电机的响应快等特点，美国和法国用于导弹的测控系统；利用结构简单可微型化的特点，日本研制微型超声波电机用于微卫星等领域。此外，日本和美国等国家正在进行超声波电机的各种研究，用于航天等军事领域。由此可见，超声波电机以其高转矩重量比、快速响应、高精度和断电自锁等特点、将在航天航空等军工领域中受到愈来愈大的重视。(4)工业机床中的应用由于超声波电机结构刚度大、定位精度高，它可用于工具驱动与控制装置以及工件的定点传输。如机床的精密进给机构、刀具的磨损调度装置、微细电火花机的加工装置、工件准确定位与装夹、缩紧装置及夹具的快速调整。(5)医疗与生物学领域中的应用生物材料微型操作器、计量设备、微型喷嘴、冲击发生器、肾结石破碎治疗机、气管超声扫描器。许多科学仪器，医疗器械会产生强磁场或者对电磁场干扰具有严格的要求，而超声波电机能避免这些问题，所以可以用于核磁共振环境下设备的驱动。(6)民用产品的应用首先由于超声电机的安静、体积小等优点，可用于压缩机的使用上，在家电领域具有广泛的用途；传统的电机驱动由于在中间环节，不可避免的存在累计误差，而超声波电机控制性能好，体积小，可用于精密控制，如电子手表；同时利用其控制精度高的特点，可用于IC、LSI等数控机器，印刷线路板加工、检测，晶片遇见排列、焊接、封装，半导体片等精密冲载。环状压电机可用于楼宇窗帘的自动开闭。 应用领域 举例说明 光学仪器 照相机、摄像机、显微镜 汽车 座椅调节电机、头靠调节电机、自动天线电机、自动门锁电机、自动窗电机、顶板调节电机、计价器电机、电子反光镜等 航空航天 飞机飞艇等 工业控制 镗床、磨床、机器人等 医疗器械等 生物材料微型操作器、计量设备、微型喷嘴、冲击发生器、肾结石破碎治疗机、器官超声扫描器 民用产品 压缩机、电子手表、IC、LSI等数控机器、印刷线路加工、检测器、晶片元件、半导体片、窗帘自动器

超声波又称为环形USM它的结构和原理传统的马达都是基于电磁原理工作的，将电磁能量变换成转动能量。而USM则是基于利用超声波振动能量变换成转动能量的全新原理来工作的。根据将超声波振动能量变换的方法来分，有三类USM：1、驻波型(StandingWaveType)；2、行波型(TravelingWaveType)；3、振簧型(VibratingReedType).CanonEF镜头中使用的USM，全部属于行波型。环形USM的结构很简单：由具有弹性的定子和转子组成。定子是一金属环，底部有压电陶瓷元件，上部均匀排列着梯形凸出物。定子是用特殊材料制造的，它的热膨胀系数同压电陶瓷元件的一样，这样可以避免温度变化的影响。转子是一个铝质环，通过凸缘状弹簧与定子结合在一起。由于铝材比较软，所以结合部位是经过特殊处理，增加其耐磨性能。USM的基本特点：1、具有低转速大扭矩的输出特性；2、制动力矩大；3、结构简单；4、马达启动和制动的可控性非常好；5、转动声音非常小，几乎无声。Canon环形USM除具备上述基本特点外，自身的特点：6、高效率，低功耗；7、环形的马达可以与镜身完美地结合；8、低转速，特别适合镜头的AF驱动；9、转动速度可以在范围内任意控制；10、可以实现灵敏度可调的电子MF；11、工作环境温度是：-30℃~+60℃。现在基本使用的是USM-M1和USM-L1，USM-L2已经不再使用。