压电马达文献综述.doc

压电马达
摘要：近几十年来，世界上许多国家对电机做了大量的研究。当今工业和高科技领域对高精密自动化控制的需求越来越大。电机不仅成为各种机电系统中一个较为重要的元件，而且对其提出了更高的要求。依靠压电陶瓷的逆压电效应直接将电能转化为机械能 ,打破了传统的由电磁作用而获得转矩的电磁型电机的概念，压电马达成为了当今社会科学前沿的新型电机。本文从压电马达原理着手介绍了压电超声马达原理及其一些基本结构，并述说了压电谐波马达的基本结构。
关键词：压电效应，压电超声马达，压电谐波马达
引言
传统的电磁型电机的发展已有100多年的历史，在理论、设计方法或制造技术上，都已达到十分完善的程度．由于它的工作原理和结构的限制，难以满足当前宇宙飞船、导弹、机器人和精密仪器等对电机所提出的要求．而压电马达，正是适应了这种发展形势的需要而出现的一种新型电机．压电马达即利用压电体的压电逆效应进行机电能量转换的电动机。其原理与基于电磁感应的普通电动机显著不同，但基本功能和分类大致相同。一般分为交流压电电动机和直流压电电动机。运动方式分为旋转和直线运动两种。
压电电动机由振动件和运动件两部分组成，没有绕组、磁体及绝缘结构。功率密度比普通电动机高得多，但输出功率受限制，宜制成轻、薄、短小形式。它的输出多为低速大推力（或力矩），可实现直接驱动负载。这种电机因内部不存在磁场，机械振动频率在可听范围外，因此对外界的电磁干扰和噪声影响很小。压电电动机易于大批量生产。
1、 压电效应及压电材料
压电效应是1880年居里兄弟发现的，他们在研究晶体热电现象与结晶对称关系时，发现这个现象可能是由加热时体积变化所导致的。
根据这个想法他们做了很多实验，发现电气石或石英等天然矿石收到压力时，由于体积变化，在晶体表面会有微小电荷产生。隔年，他们又发现当晶体置于电场中时也会发生体积的变化,证明了这种现象是可逆的。因为压电效应是可逆的，所以把材料因体积变化而产生电压的效应称为「正压电效应」；反之，材料因加入电压而造成体积变化的效应称为「逆压电效应」；而具有压电效应的材料则统称为「压电材料」，如图一。

陶瓷材料因为制造容易、可制成任何形状、且其特性可随组成做多样性的变化等优点，目前已经成为压电元件的主流。
一般而言，压电陶瓷材料具有体积小、反应快速、位移量小、消耗功率低等特色。但也有一些使用上的限制，例如材质易脆等。虽然可以承受较大的正向压力，但是当它承受不均匀的力量时，也很容易造成材料的破坏。压电陶瓷马达运用压电材料的变形所造成行进波，进而產生振动，再经以摩擦力带动转子转动。其中压电陶瓷产生超音波的交替伸缩现象，也就是应用超音波的弹性振动方式以获得驱动动力，然后再利用摩擦力带动转子而驱动，使得此类产品有超音波马达的称呼。虽然压电的伸缩现象每次仅有数微米(μm)大小，但因每秒可有数十万次的伸缩，也使得每秒将可移动达数厘米(㎝)。
2、 压电马达的原理与驱动方式
压电压电陶瓷线性马达与超音波马达之间最大的差异，因为压电陶瓷的组合结构不同，但其原理与驱动方式是相当类似的。
压电陶瓷马达的内部构造图是由一相对厚度而言有较大平面的四角薄平板架构而成，如图二。

四个电极附著在正面，并分别覆盖四分之一的表面，其中A、A’与B、B’分为两组，而反面则完全覆盖一个单一电极。成对的两个电极以电线连接之，而反面电极经由一可调变共振频率的可变电感后接地。线性超音波马达的运动是受限於四个拥有高弹性系数之支撑弹簧，这些弹簧沿著马达的长边连接在压电陶瓷上；而一个相当硬的陶瓷传动子，以黏著剂接合在压电陶瓷短边的中间，另一个短边的中间有一紧压在压电陶瓷上之预力弹簧。如此一来，预力弹簧便可提供一压力在传动子和平台之间，摩擦力便会產生在平台和传动子之间的表面，而传动子即可将力量传递至平台并使之移动。同时，被设计来当传动子在做圆形运动有反运动方向产生时，传动子可离开平台，并不会使平台运动。
线性超音波马达的运作，乃是基于双振动模式(Vibration Modes)，即弯曲振动与长度振动，利用x 方向的弯曲振动和y 方向的长度振动可在压电陶瓷的xy平面引出一椭圆运动，如图三。

图三左者显示超音波线性马达在弯曲振动下的形变，在xz 平面上的横切面于x 方向被移位，而z 方向则被旋转。横切面的位移和旋转分别表示成Δx 和Δθ，其振动节点分别在线性超音波马达上半部和下半部的中间。图三右者显示超音波线性马达在长度振动下的形变，xz 平面上的横切面在y 方向被移位，并将位移表示成Δy，而振动节点则在线性超音波马达的中间。为了获得最大位移，这些振动模式必须在共振模式下被激发。如果此两模式共振频率等於或是很接近任一模式时，可以获得一隋圆形运动。而共振频率可由压电陶瓷的长度和宽度计算求得。压电马达具有许多与一般传统马达不同的许多特性与特色。
2.1压电超声马达
超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称USM)是国外八十年代发展起来的一种没有电磁绕组和磁路，不以电磁的相互作用来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声振动，将材料的微变形通过共振放大，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动的新型电机．
1981年，日本指田年生研制成超声波压电电动机（简称超声波电动机），克服了传统压电电动机转换效率低和变位微小的缺陷，压电电动机开始进入工业实用阶段，如外径50毫米，输入电压100伏，频率40千赫，输出功率可达4瓦的超声波电动机。
超声波电动机有驻波式和行波式两种。驻波式超声波电动机的条状压电体具有交替排列的极化区，施加直流电压时产生伸缩交替的变形，收缩部分凸起，伸长部分下凹，整条呈波状。电压极性相反，变形方向随之改变。如施加交流电压，压电体就随时间作振动变形。此变形是一系列以极化界面为过零点的脉振波，即驻波振动。行波式超声波电动机由两条相同的压电体相互错开半个极化区长度粘合成一体而成，当分别施加时间上相差90°电角度的交流电压时，两压电体就分别作驻波振动，由弹性体接受的合成振动波是一个随时间前进的行波，即作行波振动。驻波形式的能量转换效率较高，但需特殊的推力或力矩耦合部件，体积较大，且只能作单向运动，控制性能差，因而人们更重视行波方式的超声波电动机。将条状压电体制成圆板或圆环，即可制成旋转运动的超声波电动机。当弹性体接收压电体的行波振动后，通过转子上的摩擦件，利用摩擦力使转子旋转。其工作原理如图l所示，下方弹性体由压电陶瓷组成，因为压电体是在电压作用下可以伸缩的，所以，如果将很多个压电体排列起来，使其依次振动，便可以形成前进的行波，在环状压电体上贴上：弹性环(定子)，另外再在上面压上金属环(转子)，从而可利用压电体表面上的行波，使金属环旋转．根据此原理可设计出结构如图2所示的压电马达．弹性体图1压电超声马达原理移动方向

2.2、压电谐波马达
压电谐波马达是根据谐波传动原理和压电逆效应原理，由kn组(n为波数，等于2或3；n=2时，k=4、6、8、10等偶数，当n=3时，k=2、4等偶数．)压电驱动器连接弹性铰链位移放大机构，沿柔轮圆周方向均匀分布，而构成压电式波发生器．图3所示为8组压电驱动器的双波传动压电谐波马达的结构简图．通过控制器控制驱动各组压电驱动器，使各组压电驱动器彼此按一定的相差进行周期性伸缩变形，再经过位移放大器进行位移放大，使柔轮产生周期性的变形，如果是刚轮固定，通过柔轮和刚轮的啮合便可使柔轮产生旋转。

总结
压电马达的研究从设计思想的提出，经过原理性样机的研制，再到实用性和产业化的开发，世界各国大批科研人员经过儿十年的探索研究已取得了很大的成果。压电马达是一种种典型机电一体化产品。虽然一些研究成果已经进入实用阶段，但其完整的数学机理模型、动态的接触模型、精确估算马达性能的动态结构模型等理论问题仍处于探讨与完善阶段。设计理论、制造工艺以及驱动控制等实际问题函待进一步研究和解决。同时其工作原理决定了压电材料的性能对马达的性能和寿命起着至关重要的作用，这些材料的性能也需要提高改善。今后研究的内容主要是逐步建立精确、定量的理论模型;设计适用新型结构;研制良好性能的陶瓷材料和摩擦材料，进一步研究马达的控制特性。
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