超聲波電動機(簡稱usm)是一種應用壓電陶瓷的逆壓電效應，通過摩擦驅動，把電能轉換為機械能輸出的新型直接驅動電機。它完全不同于傳統的電磁電機，有磁極和繞組，無需通過電磁相互作用傳遞能量。usm具有功率密度大、無電磁干擾、低速大轉矩、動態響應快、運行無噪聲等****的特性，在非連續運動領域及精密控制領域，usm要比普通的電磁電機的性能優越得多。usm在工業控制系統、汽車專用電器、超高精度測量儀器、辦公自動化設備、智能機器人等領域有廣闊的應用前景，倍受科技界和工業界的重視，為當前電氣工程領域的一個研究熱點。

    我國于90年代初開始步入usm的研究行列，眾多高校及研究所在國家、省自然科學基金、教委博士點基金的資助下，開展usm的理論及實驗研究及開發，已取得了一些可喜的成果。但目前在usm樣機的設計與制造技術方面，還缺乏深入細致的研究，這在一定程度上妨礙了我國usm產業化的進程。本文在綜合大量資料文獻基礎上，結合本研究小組在usm設計制造方面的工作，闡述了usm的設計理論及方法，給出了usm樣機制造過程中的一些技術要求及關鍵技術。

     usm與傳統的電機不同，無繞組和磁極，無需通過電磁作用產生運動力。它一般由振動體（相當于傳統電機中的定子，由壓電陶瓷和金屬彈性材料制成）和移動體（相當于傳統電機中的轉子，由摩擦材料及塑料等制成）組成。在振動體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時，利用逆壓電效應或電致伸縮效應產生幾十千赫的超聲波振動，將這種振動通過振動體與移動體間的摩擦耦合，變換成旋轉或直線型運動。圖1為環狀行波型usm的基本原理圖，定轉子由軸向力壓在一起，定子壓電陶瓷元件的排布如圖2所示，其中b區振子在空間上與a區振子間隔1/4波長(a/4)。當a區振子加正弦激勵信號b區振子時，在空間上可產生行波，使定子表面上的點作與波傳送方向相反的橢圓運動，如圖1所示[1]。

    如果將一移動體（轉子）壓在振動體（定子）上，則兩者僅在波峰點接觸，受摩擦力的作用，移動體向行進波的反方向移動。依靠行波驅動方式可連續地對移動體施加驅動力，改變波的方向，即可改變移動體移動（轉子旋轉）方向。

    usm雖然經歷了十幾年的研究和發展，但仍有許多有關其性能的理論問題尚未解決。不像電磁電機，usm的設計經驗非常有限，還未建立起系統的設計理論與方法。

    實際上，為推動usm的實際應用，完全有必要確立一套usm的設計方法，以便預估usm的負載特性，同時對usm的運行特性進行必要的分析。在討論設計之前，要從理論上和實驗上研究電機的基本性能。由于usm定轉子間相互作用的復雜性和其本身固有的非線性，很難對其進行精確的數學分析。目前的設計多是基于usm的等效電路及簡化模型的分析基礎上，結合具體的試驗研究進行的。 

  

    首先需要構造usm振子的機電轉化等效電路，建立usm定轉子接觸的簡化模型，然后通過對等效電路和簡化模型的分祈，求取各量之間的關系，利用實驗確定等效電路中的參數。在獲得了等效電路參數后，就可以利用等效電路解釋usm的輸入輸出特性，分析和預估電機的性能，直接為usm的設計服務（因為usm的設計也是基于同一等效電路和簡化模型的基礎上的）。

    對于環形行波型usm，設計時需明確電機所要達到的特性及尺寸要求，如空載轉速、****轉矩、振子驅動半徑等，通過設計得到振予尺寸及加在轉子上的靜態力（預壓力）。設計中，定子齒槽的深度、定子彈性體厚度和預壓力作為設計變量，以振子的機電轉化效率為目標函數。設計步驟為[3]：

    (1)給出設計要求：usm的空載轉速，****輸出轉矩，振子驅動半徑。

    (2)選擇定轉子材料，給出相關參數。

    (3)由空載轉速確定振子表面質點的****切向振動速度。

    (4)由****輸出轉矩及定轉子間摩擦系數確定usm軸向預壓力。

    (5)通過等效電路模型，優化轉子機電轉化效率，選擇定子彈性體厚度。

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