基于ANSYS环形行波超声波电机分析(2)

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超声波电机是从20世纪80年代开始发展起来的一种全新原理的微电机，是超精密加工、振动学、摩擦学、材料学、电子技术、自动控制和检测技术等学科综合交叉发展的产物。超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，激发定子弹性体超声频率振动，通过摩擦耦合直接驱动转子或滑块运动。

与传统电磁型电机相比，超声波电机具有许多独特的优点:

1)低速大转矩、结构紧凑。超声波电机通过定转子接触界面的摩擦作用进行传动，因此它是一种低速电机。在低速情况应用时，超声波电机不需要减速机构就可以实现直接驱动，从而大幅度减少了系统的体积和重量，也避免了由减速机构引起的振动和噪声、能量损耗以及传动误差。

2)结构形式多样、转矩密度大。超声波电机结构设计灵活，可制造出多种多样结构形式的电机;其输出转矩密度能够达到传统电磁感应电机的5-10倍。

3)响应快，控制性能好，断电后自锁。超声波电机结构紧凑，转子质量小，因而动态响应迅速(ms量级)，尤其适合于反应速度快的定位系统。

4)位移分辨率高。超声波电机定子弹性体振动时，其振幅通常为微米数量级，能够实现微米级至纳米级的定位精度。

5)不产生也不受外界电磁干扰。超声波电机的组成结构中没有磁极和绕组，所以在使用过程中无电磁场产生，也不受外界电磁场的干扰。

6)运行无噪声。超声波电机在超声频率范围内((>20kHz)工作，超过了人耳的听觉范围。

7)适用于极端环境下工作。在超声波电机结构设计合理，材料选用合适的情况下，可应用于低温、真空等极端环境。

由于超声波电机具有的独特优点，从20世纪80年代以来它作为一种直接驱动微电机而受到各国科研人员的关注，已成为国内外微电机研究的热点。目前，超声波电机已被广泛地应用于照相机、摄像机、精密定位系统等。随着超声波电机技术的发展，它将在汽车、微型机器人、医疗器械、办公自动化设备、精密仪器仪表及新型武器装备等领域具有广阔的应用前景。

由于超声波电机发展历史很短，其理论模型和设计方法还不完善，尚存在磨损严重、寿命较短、性能不稳定、效率较低等问题，在理论研究、制造加工工艺、设计方法等方面还有许多有待研究改进的地方，需要做更多深入的研究。

1.1 超声波电机发展简史

超声波电机是一种非电磁电机，它不依靠电磁相互作用来传递能量，而是以压电陶瓷逆压电效应激发出压电振子的超声振动作为驱动力，靠摩擦力耦合进行机械能传递输出。

1942 年首例USM 模型出现在Williams 和Brown 的专利中,但由于技术条件限制未制成样机。从上世纪六十年代起，苏联科学家开始进行USM 的研究工作。1963 年M. E.Archangelskij 设计了一台利用轴向、弯曲耦合振动的振动片型USM。1964 年，V. V. Lavirenko利用压电陶瓷片制作了第一台旋转型USM，并用等效电路法分析了压电陶瓷片的振动。在1970~1972 年间，Siemens 和Matsushita 电子工业公司研制出了具有实际应用前景的USM。1973 年，IBM 公司H. V. Barth 提出了利用楔形超声振子推动转子的机构。1978 年，前苏联Vasiliev 等成功地设计了一种能够驱动较大负载的USM。采用两个金属块夹持压电元件的结构，利用振动片纵向振动及其所诱发的弯曲振动，通过摩擦力驱动转子运行。1980 年，日本指田年生在Vasiliev 研究的基础上，提出并成功地制造了一种振动片型USM。该电机定子由一个螺栓紧固型振子和薄振动片组成，振动片以微小倾角压于转子之上。当振子以超声频率纵向振动时，薄片末端形成椭圆运动对转子产生足够的驱动力，成为第一个满足实际使用要求的USM。1982 年指田年生发明了行波型USM，利用行波在有限弹性体内传播时表面质点产生的椭圆运动来推动转子转动，由此促进了各种振动模态USM 的产生。包括新生、松下、佳能、日电等公司和东京工业大学、山形大学、东北大学等高校在内的众多公司、研究机构和大学，先后对USM 进行了大量研究和开发，USM 进入了大规模实验研究和实用化开发阶段。各种不同结构的USM 不断涌现，驱动控制电路和应用产品专利层出不穷。1985 年松下公司伊势等人以指田年生提出的行波型USM 为基础，采用一种梳齿结构的定子，在基本不影响定子刚度的情况下扩大了定子的振幅，大大提高了电机的效率，被后续的多种USM 广泛采用。1985 年NEC 的熊田明生提出了扭转耦合型USM，1987 年东京工业大学的黑泽实和上羽贞行提出了纵扭复合型USM，使USM 向输出大扭矩方向发展。1987 年，佳能公司将其开发的圆环行波型USM正式应用于EOS 照相机自动调焦系统，此后USM 新产品不断地被研制出来并推向市场。日本在USM 方面的成功引起了其他国家的广泛重视，德、法、美、英、中、韩等国纷纷于八十年代末投入到USM 的研究行列中。