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【摘 要】 多自由度球型超声波电机是近三十年来发展起来的一种新型驱动器[1, 2],它以独特的运动方式在全方位仿生运动的球形关节以及月球登陆车等领域有着广阔的应用前景。
【关键词】 超声波电机 多自由度 驱动器
随着科学技术的快速发展,在航空、航天、导弹、汽车、机器人以及精密仪器等领域中对电机性能所提出的短、小、薄、低噪声、无电磁干扰等特殊性能的需要,尽管传统的电磁型电机在理论、设计方法和制造技术上都已经达到十分完善的程度,但由于它的工作原理和结构的局限性,目前已经很难满足这些特殊应用领域的要求。目前在世界各国研制的各种新型电机中,压电超声波电机是发展较快、取得成果较多,最具有生命力的一种。
超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应,把电能转换成弹性体的超声振动,通过摩擦偶合作用获得运动和力(矩)。超声波电机突破了传统电机的概念,没有电磁绕组和磁路,不以电磁的相互作用来产生运动,是一种全新的原理和结构的驱动装置。尽管超声波电机的发明和发展的历史比较短,但由于它具有传统的电磁型电机所不具备的许多优点,超声波电机已经在智能结构、光电子、航空航天、微型机械、精密仪器仪表、伺服机构、生物及遗传工程、机器人和家用电器等诸多技术领域得到成功应用[3]。
1 超聲波电机概述
1.1 超声波电机的定义。超声波电机是利用压电陶瓷元件作为换能装置,它的本体是由定子和转子组成的。它是通过压电材料的逆压电效应使交流电信号转变成定子表面质点超声频率的机械振动,借助于定、转子之间的接触产生的摩擦力,实现将定子表面质点交变的机械振动转变为转子单方向的直线运动或旋转运动。
1.2 超声波电机的特点。超声波电机与传统的电磁型电机相比,具有如下优点:①结构简单,形式灵活多样。可以实现电机的短、小、薄。②速度低、转矩大(是传统电磁型电机的3~10倍)。无需齿轮变速机构,可实现直接驱动,减少了能量损耗和传动误差。③无磁场干扰,电磁兼容性好。超声波电机没有磁铁和绕组,不产生磁场,也不受外界磁场的影响。④转子惯性小,动作响应快(毫秒级),控制性能好。⑤断电自锁。超声波电机断电时,由于定、转子间静摩擦力的作用,使电机具有较大的静态保持力矩,实现自锁。⑥运行无噪声。由于超声波电机弹性体的机械振动是人耳听不到的超声振动,没有齿轮减速机构,工作时无噪声。⑦能够在低温、真空、强辐射等环境下正常工作。⑧易于实现直线和多自由度驱动。
当然,超声波电机也有一些缺点,如:①需要使用高频电源产生高频交流电信号。②寿命比较低。由于超声波电机定、转子之间的摩擦会引起磨损,降低了超声波电机的使用寿命。为提高寿命,常采用耐磨材料。③输出功率较小。由于电机是在共振状态下工作,因而超声波电机很难输出数千瓦以上的功率。
2 超声波电机的应用前景
尽管超声波电机有缺点,但由于它具备电磁电机所没有的优点,超声波电机在工业、宇航、国防、机器人、医疗设备等方面有巨大的应用前景。作为小型电机,超声波电机有望在以下领域应用:①军用望远镜自动调焦;②导弹、军用武器装备的自动瞄准与目标跟踪;③军用侦察机微型机械虫和微型直升机驱动;④计算机磁头和光盘的驱动与定位;⑤摄象机中的镜头自动调焦驱动;⑥微小卫星扫描驱动装置;⑦微型机器人驱动;⑧小汽车中的自动控制;⑨微型医疗器械;⑩物料输送器。
由于超声波电机的独特性能,对压电超声波电机的研究与开发,各国多非常重视,将来它可部分地代替电磁电机,在宇航、军事、医疗等高科技领域将会引起深刻的技术革新。
3 小结
对超声波电机的研究涉及到振动学、波动学、材料科学、摩擦学、电力电子学、现代控制技术和实验技术等,是典型的多学科交叉领域发展的结晶。可以说,对超声波电机的研究有重要的科学意义并有着广泛的应用前景和实用价值。
参考文献
1 赵淳生.21世纪超声电机技术展望.振动.测试与诊断,2000;20
(1):7~11
2 郭吉丰等.多自由度球形超声电机的研究进展.电工电能新技术,
2005;24(2):65~68
3 曾平等.单振子多自由度压电马达研究.压电与声光,2000;22(5):
306~308
4 刘俊标.单定子三自由度超声电机极其控制技术的研究.南京航
空航天大学博士学位论文
5 郭海训.大力矩高精度超声波电机的基础研究.浙江大学博士学
位论文
6 赵学涛.纵弯复合振动模态球型超声电机的研究.哈尔滨工业大
学博士学位论文
【关键词】 超声波电机 多自由度 驱动器
随着科学技术的快速发展,在航空、航天、导弹、汽车、机器人以及精密仪器等领域中对电机性能所提出的短、小、薄、低噪声、无电磁干扰等特殊性能的需要,尽管传统的电磁型电机在理论、设计方法和制造技术上都已经达到十分完善的程度,但由于它的工作原理和结构的局限性,目前已经很难满足这些特殊应用领域的要求。目前在世界各国研制的各种新型电机中,压电超声波电机是发展较快、取得成果较多,最具有生命力的一种。
超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应,把电能转换成弹性体的超声振动,通过摩擦偶合作用获得运动和力(矩)。超声波电机突破了传统电机的概念,没有电磁绕组和磁路,不以电磁的相互作用来产生运动,是一种全新的原理和结构的驱动装置。尽管超声波电机的发明和发展的历史比较短,但由于它具有传统的电磁型电机所不具备的许多优点,超声波电机已经在智能结构、光电子、航空航天、微型机械、精密仪器仪表、伺服机构、生物及遗传工程、机器人和家用电器等诸多技术领域得到成功应用[3]。
1 超聲波电机概述
1.1 超声波电机的定义。超声波电机是利用压电陶瓷元件作为换能装置,它的本体是由定子和转子组成的。它是通过压电材料的逆压电效应使交流电信号转变成定子表面质点超声频率的机械振动,借助于定、转子之间的接触产生的摩擦力,实现将定子表面质点交变的机械振动转变为转子单方向的直线运动或旋转运动。
1.2 超声波电机的特点。超声波电机与传统的电磁型电机相比,具有如下优点:①结构简单,形式灵活多样。可以实现电机的短、小、薄。②速度低、转矩大(是传统电磁型电机的3~10倍)。无需齿轮变速机构,可实现直接驱动,减少了能量损耗和传动误差。③无磁场干扰,电磁兼容性好。超声波电机没有磁铁和绕组,不产生磁场,也不受外界磁场的影响。④转子惯性小,动作响应快(毫秒级),控制性能好。⑤断电自锁。超声波电机断电时,由于定、转子间静摩擦力的作用,使电机具有较大的静态保持力矩,实现自锁。⑥运行无噪声。由于超声波电机弹性体的机械振动是人耳听不到的超声振动,没有齿轮减速机构,工作时无噪声。⑦能够在低温、真空、强辐射等环境下正常工作。⑧易于实现直线和多自由度驱动。
当然,超声波电机也有一些缺点,如:①需要使用高频电源产生高频交流电信号。②寿命比较低。由于超声波电机定、转子之间的摩擦会引起磨损,降低了超声波电机的使用寿命。为提高寿命,常采用耐磨材料。③输出功率较小。由于电机是在共振状态下工作,因而超声波电机很难输出数千瓦以上的功率。
2 超声波电机的应用前景
尽管超声波电机有缺点,但由于它具备电磁电机所没有的优点,超声波电机在工业、宇航、国防、机器人、医疗设备等方面有巨大的应用前景。作为小型电机,超声波电机有望在以下领域应用:①军用望远镜自动调焦;②导弹、军用武器装备的自动瞄准与目标跟踪;③军用侦察机微型机械虫和微型直升机驱动;④计算机磁头和光盘的驱动与定位;⑤摄象机中的镜头自动调焦驱动;⑥微小卫星扫描驱动装置;⑦微型机器人驱动;⑧小汽车中的自动控制;⑨微型医疗器械;⑩物料输送器。
由于超声波电机的独特性能,对压电超声波电机的研究与开发,各国多非常重视,将来它可部分地代替电磁电机,在宇航、军事、医疗等高科技领域将会引起深刻的技术革新。
3 小结
对超声波电机的研究涉及到振动学、波动学、材料科学、摩擦学、电力电子学、现代控制技术和实验技术等,是典型的多学科交叉领域发展的结晶。可以说,对超声波电机的研究有重要的科学意义并有着广泛的应用前景和实用价值。
参考文献
1 赵淳生.21世纪超声电机技术展望.振动.测试与诊断,2000;20
(1):7~11
2 郭吉丰等.多自由度球形超声电机的研究进展.电工电能新技术,
2005;24(2):65~68
3 曾平等.单振子多自由度压电马达研究.压电与声光,2000;22(5):
306~308
4 刘俊标.单定子三自由度超声电机极其控制技术的研究.南京航
空航天大学博士学位论文
5 郭海训.大力矩高精度超声波电机的基础研究.浙江大学博士学
位论文
6 赵学涛.纵弯复合振动模态球型超声电机的研究.哈尔滨工业大
学博士学位论文