超声马达在日本的开发与应用

超过马达的研究，二三二年前在前苏联帮美国已经开始，自从指田年生于１９８３年研制出了行波型超声马达后，研究的中心转到了日本，超声马达的一系列重大研究和开发成果均出自日本。本文根据近年来日本的有关文献资料，综述了超声马达在日本的开发与应用，以及今后的研究课题和发展趋势。     

行波超声马达传动机理的研究（一）：运动传递机理及定子中存在弯曲…

首先基于几何分析法研究了压电行波超声马达的运动传递机理，重点分析了驻波的产生和行波的合成原理，与转子相接触的定子表面质点的椭圆运动。然后基于弹性动力学方法研究了在定子中存在弯曲行波的条件，得出旋转型压电行波超声马达定子中弯曲行波的产生是基于同频和同节线的两个正交弯曲振型的叠加规律，提出了对圆形薄板圆形对称的基本结构要求。     

行波超声马达传动机理的研究（一）——运动传递机理及定子中存在弯曲行波的条件

首先基于几何分析法研究了压电行波超声马达的运动传递机理，重点分析了驻波的产生和行波的合成原理，与转子相接触的定子表面质点的椭圆运动。然后基于弹性动力学方法研究了在定子中存在弯曲行波的条件，得出旋转型压电行波超声马达定子中弯曲行波的产生是基于同频和同节线的两个正交弯曲振型的叠加规律，提出了对圆形薄板圆形对称的基本结构要求     

旋转型压电惯性冲击马达的工作特性

为了研究惯性冲击机构中的旋转运动，设计了一台可调节预压力的旋转型压电惯性冲击马达。分析了该马达的运动原理及过程，研究了驱动信号、结构参数、压电元件等对马达运动特性的影响及规律。实验结果表明，该马达的转动速度与驱动信号的频率、电压成正比，与主体和配重的比值（M/m）成反比，转动速度随压电元件充放电时间增加而减小。研究还显示，旋转型惯性冲击马达的机械特性和正反转特性不同于电磁马达，该马达的转动速度-转矩特性为一折线，马达的正向转动速度始终大于反向速度。当驱动信号频率为1 100 Hz、电压为50 V、充电时间为70 μs、M/m=8.9时，该马达的转动速度为1.75 °/s，最大转矩为0.13 N·m。结果表明，旋转型惯性冲击马达是一个多变量系统，其运动性能受多种因素的控制。     

直线型行波超声马达的研究

从理论上证明了用于直线型行波超声马达的波形成的可行性。并用制作的两个超声压电换能器、自由－自由梁和滑块组成了一台直线型行波原型超声马达。试验表明：这台直线型原型超声马达能作直线往复运动。     

行波超声马达传动机理的研究(二)——运动平稳性分析及其调速机理和动力传递机理

详细分析了压电行波超声马达定子中两相驻波波幅不等、振动相位差异于９０°时，对转子运动平稳性的影响，并得出定子中同时存在驻波和行波，转子旋转速度以两倍的激振频率变化的结论。系统地研究了压电行波超声马达的三种调速方法：调压、调频、调相。讨论了该马达驱动力产生和负载特性     

压电陶瓷线性位移步进马达研究

详细介绍了当前国内外线性压电陶瓷马达的研究成果,对已有的这类马达进行了分类,并对它们的优缺点做了分析比较。介绍了当前该领域的研究热点以及新型纳米步进线性压电马达的广泛应用前景。     

压电超声微马达的研究新进展

介绍了国内外压电超声微马达的最新研究成果.总结出压电超声马达微型化的通用方法,并指出了压电超声微马达的下一步研究重点.     

旋转型压电行波超声马达的驱动与控制技术

压电行波超声马达是一种由高科技发展起来的全新概念产品，它利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将定子的微观变形通过共振放大和界面摩擦，转换成转子的宏观运动。     

国外超声马达的发展与应用

简要介绍了国外最近发展起来的一种新型马达－超声马达。它突破了传统马达的概念，没有磁极绕组和磁路，不依靠电磁相互作用来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。了国外超声马达的发展状况，着重介绍了超声马达的优点及超声马达在工程中的应用目前研究中存在的问题以及进一步的发展方向。     

基于Digital-PWM方法的超声马达驱动控制电路设计

介绍了超声马达脉宽调制驱动原理,阐述了数字脉宽调制思想和实现方法,设计出一种带有数字脉宽调制接口的超声马达驱动电路,实验验证了电路输出驱动信号的性能。     

超声波直线电机的运行机理

超声波电机的运行机理完全不同于传统的电磁型电机。阐述了超声波直线电机椭圆运动的生成原理,讨论了行波直线电机与驻波直线电机的优劣,为超声波电机设计提供了理论依据。     

直线型超声电机的发展及应用

概述了直线型超声电机的运动机理，综述了国内外直线型超声电机的发展及其研究现状，列举了一些典型例子，总结了直线型超声电机的应用领域。针对现在直线型超声电机在理论、实验、材料等方面存在的问题，指出了在其研究开发中需要解决的关键技术。     

多自由度超声电机研究的一些新进展

多自由度超声电机是从九十年代初开始研究的、在单自由度超声电机的基础上发展起来的一种新型电机。由于这种电机能提供两个或两个以上自由度的运动，且具有超声电机本身的独特优点，因而有广阔的应用前景。文中列举了几种最新出现的多自由度超声电机，阐述了它们的结构、工作原理和特点，为关注这方面发展动态的同行们提供参考。     

超声电机在南京航空航天大学的研究与发展

介绍了南京航空航天大学超声电机研究概况；叙述了南京航空航天大学超声电机研究中心在超声电机技术方面所取得的研究进展和成果；列举了该中心在研究超声电机中所解决的若干关键技术；总结了取得这些进展和成果的主要原因和经验。最后，提出了本中心当前的研究任务，展望了超声电机未来的发展。     

基于虚拟仪器的直线超声电机机械特性测试

针对直线超声电机机械特性测试问题,建立了基于虚拟仪器的直线超声电机机械特性测试系统。设计了力与速度测试系统,为测试的直线电机提供加载,配置的压力传感器与直线型光电编码器分别用于电机输出力与速度的测量,利用虚拟仪器技术搭建了测试硬件平台。利用虚拟仪器编程语言LabVIEW对各个模块进行软件设计,以实现各自的功能。利用该系统对杆式直线超声电机和双变幅杆V形直线超声电机的机械特性进行了测试,测试结果证实该测试系统的可行性,为直线超声电机机械特性测试提供了所必需的条件。     

Principle and experimental verification of novel dual driving face rotary ultrasonic motor

Existing rotary ultrasonic motors operating in extreme environments cannot meet the requirements of good environmental adaptability and compact structure at same time,and existing ultrasonic motors with Langevin transducers show better environmental adaptability,but size of these motors are usually big due to the radial arrangement of the Langevin transducers.A novel dual driving face rotary ultrasonic motor is proposed,and its working principle is experimentally verified.The working principle of the novel ultrasonic motor is firstly proposed.The 5th in-plane flexural vibration travelling wave,excited by the Langevin transducers around the stator ring,is used to drive the rotors.Then the finite element method is used in the determination of dimensions of the prototype motor,and the confirmation of its working principle.After that,a laser Doppler vibrometer system is used for measuring the resonance frequency and vibration amplitude of the stator.At last,output characteristics of the prototype motor are measured,environmental adaptability is tested and performance for driving a metal ball is also investigated.At room temperature and 200 V(zero to peak) driving voltage,the motor’s no-load speed is 80 r/min,the stalling torque is 0.35 N·m and the maximum output power is 0.85 W.The response time of this motor is 0.96 ms at the room temperature,and it decreases or increases little in cold environment.A metal ball driven by the motor can rotate at 210 r/min with the driving voltage 300 V(zero to peak).Results indicate that the prototype motor has a large output torque and good environmental adaptability.A rotary ultrasonic motor owning compact structure and good environmental adaptability is proposed,and lays the foundations of ultrasonic motors’ applications in extreme environments.     

Improving the performances of ultrasonic motors using intermittent contact scheme

Most ultrasonic motors operate in intermittent contact scheme. Their stators drive the rotors (or sliders) when the stators contact the rotors, and the rotors (or sliders) move under an inertia force when the stators and the rotors are separated. The duty cycle of the contact and the “flight” manages motors’ output performance. To obtain a large output force or output velocity, this paper proposes a concept using the alternative work of a multi-stator or the multi-driving end of a single stator. The method can avoid larger noise, poor efficiency, and lifetime of motors. A novel linear ultrasonic motor using the alternative work of the multi-driving end of a single stator was fabricated and investigated experimentally. The traveling speed without load of the slider is 88 mm/s, and the maximum load is 0.32 N.     

圆柱形多自由度超声电机特性的实验研究

从提高驱动效率、改善输出性能的角度出发,研制了一台新结构形式的圆柱形多自由度超声电机,对电机定子的工作模态和电机的输出性能进行了测试.电机定子的模态实验表明,无论是工作频率的一致性、驱动端的振幅,还是压电陶瓷元件与工作振型的相互位置关系,均较好地满足了设计要求.电机输出性能的测试结果表明,电机的输出转速和输出转矩得到显著提高,电机的性能体积比超过国外同类型、同规格的电机.