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超声电机原理

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原理

超声电机(Ultrasonic Motor 或简写为USM)技术是振动学、波动学、摩擦学、动态设计、电力电子、自动控制、新材料和新工艺等学科结合的新技术。超声电机不像传统电机那样利用电磁的交叉力来获得其运动和力矩,超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的,将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。在这种新型电机中,压电陶瓷材料盘代替了复杂的铜线圈和铁芯。

与传统电机的特点

超声电机与传统电机相比,具有结构灵活、小型轻量、响应速度快,无噪音、低速大扭矩、控制特点好、断电自锁、不受磁场干扰,运动准确等优点,另外还具有耐低温、真空等适应太空环境的特点。首先由于质量轻,低速且大扭矩从而不需要附加齿轮等变速结构,避免了使用齿轮变速而产生的震动、冲击与噪音、低效率、难控制等一系列问题;其次它突破了传统电机的概念,没有电磁绕组和磁路,不用电磁相互作用来转换能量,而是利用压电陶瓷的逆压电效应、超声振动和摩擦耦合来转换能量。从而实现了静音、精确、无电磁干扰等优点。可以说超声电机技术处于电机行业最新科技之列。

发展历史及现状

超声电机的雏形最早由前苏联在60年代初提出。1973年,美国IBM公司的H.V Barth博士、前苏联的V.H.Lavrinenko等人研制出原理性的超声电机。80年代,日本许多科学工作者致力将美国和苏联的原理性样机开发成使用的超声电机,并于90年代初投入到商业应用。至今,日本、美国、俄罗斯。德国竞相研制各种类型和用途的超声电机。 在国内,到目前为止,还没有其它的超声电机规模化生产企业。进行研究的主要是一些学术机构,如南京航空航天大学,清华大学,浙江大学等,而产学研一体的研究所只有南京航空航天大学的精密驱动研究所一家。 南京航空航天大学精密驱动研究所于2008年3月以技术和专利参股组建了江苏春生超声电机有限公司,拥有江苏省企业院士工作站。

超声电机的应用

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、智能机器人等领域有着广泛的应用前景,基于超声电机的研究成果,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,能获得理想的效果。接触式USM具有低速大扭矩的特点,在许多应用场合中可免去减速装置直接驱动。最典型的是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、无噪音、定位精度高、调焦时间短、无齿轮减速、结构简单等优点。光学显微镜的自动焦距、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,光学镜面调整等都可以通过运用超声电机来实现理想的效果。
2)汽车
超声电机用于汽车车窗的驱动装置中,可使它体积扁小、低速大扭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,是通过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用于火星探测器的轻量机械臂上,采用超声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电机用于空间伸展结构的伸展和收缩。利用超声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电机的各种研究,用于航天等军事领域。由此可见,超声电机以其大扭矩、高重量比、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,而超声电机恰能避免这些问题,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静音、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,不可避免地存在累计误差,而超声电机控制性能好、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,晶片构建的排列、焊接、封装等。














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