• 系列超声波电机的研制及其应用
  • 发布时间:2018-07-23 16:51 | 作者:采集侠 | 来源:网络整理 | 浏览:
  • 超声波电机与传统的电磁式电机不同,它是利用压电陶瓷的逆压电效应,将超声振动作为动力源的一种新型电机,它由振动部分和移动部分所组成,造振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动。近二十年来,由于大功率压电陶瓷材料研究的突破,在全世界掀起了超声波电机研究的高潮,相继开发出多种型式的超声波电机。本文介绍了东南大学超声波电机研究小组经多年努力,研制而成的系列超声波电机,描述了它们的结构,阐述了它们的工作原理及应用前景。    东南大学超声波电机研究小组从1995年开始研究超声波电机。在探索超声波电机结构原理、运行机理的基础上,进行了大量的电机结构优化和性能提高方面的工作,研制成功了环形行波型、柱体摇摆型、多自由度球型和自校正步进型超声波电机等。同时根据产业化生产的需要,形成了一套可行的技术。工艺,具备了深入开发超声波电机产品的能力。    1.环形行波超声波电机   图1为此系列超声波电机的内部结构和电机结构分解图形。图2为此系列电机实机照片,四种规格电机的定子直径分别为:30mm、45mm、60mm和100mm。    2.小型柱体摇摆型超声波电机   目前行波型超声波电机已有较成熟的设计方法,但该型电机在小直径(小于20mm)条件下,输出性能逐渐失去低速大扭矩的特点,而且由于其结构的限制,效率也很难提高。而柱体摇摆型超声波电机采用兰杰文振子结构,机械效率高。进一步设计可实现多个不同模态之间的耦合、叠加,从而形成三自由度椭圆运动,实现一个定子驱动多自由度的运动。摇摆型超声波电机是靠圆柱定子端部的摇头振动并通过摩擦来驱动转子,所以定子的直径越小,摇头振动的幅值越大,小型化(一般直径小于20mn)能更加显示出这种电机的优越性。由于该电机采用兰杰文结构,压电陶瓷不需粘接,其装配工艺容易实现自动化。所以这种电机特别适宜对电机的重量、体积、性能等方面有特殊要求的应用场合,如精密光学仪器、导弹导引头的跟随控制装置。摇摆型超声波电机的这些特点近年来在超声波电机领域备受关注。因此该型超声波电机的研究将改变超声波电机工作及运行机理,拓展开发新型超声波电机的思路。    3.步进超声波电机   随着超声波电机技术的日趋完善,应用领域越来越多。但在超声波电机角位移控制系统中,必须引入传感器来进行反馈,形成闭环控制系统,这样使电机结构变得复杂。自校正超声波电机能在一定角度内,自行修正其角位移累积误差,从而省略了传感器以及与传感器相匹配的闭环时序电路,达到简化结构和保障精度的目的。因此,对步进超声波电机的研究具有重要的学术价值,在精密控制等领域具有广泛的应用前景。    4.三自由度球形超声波电机   目前,对于传统的驱动电机而言,要实现多自由度运动,一般是对每一个自由度都提供一个电机,通过对多个单自由度电机作复杂的机械连接来实现,而且提供电机数与所要求的自由度数必须相等。因此这个系统往往结构复杂、笨重。动静态刚度低、造价昂贵,齿轮变速机构中存在着间隙、摩擦、弹性变形,很难保证有高的运动精度和定位精度,往往不能满足机器人向高速、高精度、大承载和轻量化发展的要求。    多自由度球形压电超声波电机不仅具备了超声波电机一系列的优点,而且具有诱人的应用前景,它可用于机器人的关节部位,也可用于摄像的监视器,这样可以便摄像机象人类眼球那样把周围各个角度的画面尽收眼底。    字五采用兰杰文形式,即螺秆把金属弹性体和三组六片压电陶瓷元件及电极片接在一起。压电陶瓷元件利用纵向效应来激励电机定子的振动模态,所使用的压电陶瓷为环状。纵振动压电陶瓷为均匀厚度方向极化,弯曲振动压电陶瓷电极分割为两部分,并且相互反相极化。六片压电陶瓷按极性相反两两叠合成一组。为了激励两个正交的弯曲振动模态,两组弯曲振动陶瓷环需互相错开90°。    利用单个圆柱形结构做成压电超声波电机的定子,通过对定子的振型设计和压电陶瓷的极化与配置的设计,并通过驱动控制电路使定子表面质点产生三自由度椭圆运动,从而实现球形转子的三自由度旋转,可以从根本上缩小球形电机的体积,突显超声波电机结构紧凑低速大扭矩可直接驱动负载和定位精度高的优点。同时,由于定子表面质点产生三自由度椭圆运动,因而这种柱行振子也可直接改装成多自由度的直线超声波电机,并将开拓超声波电机研究新领域。(来源:)

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