超聲波電動機(jī)效率問題的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展
摘要：從超聲波電動機(jī)實用化過程中存在的關(guān)鍵問題，即效率問題著手，分析了超聲波電動機(jī)效率問題的研究現(xiàn)狀；在檢索近年來關(guān)于超聲波電動機(jī)效率問題研究的文章，對其進(jìn)行歸納，分析超聲波電動機(jī)效率問題的目前研究進(jìn)展一對進(jìn)一步深入研究超聲波電動機(jī)效率問題，提高超聲波電動機(jī)的效率具有重要意義。
關(guān)鍵詞：超聲波電動機(jī)；效率；研究現(xiàn)狀
中圖分類號：TM383 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：：1004一7018(2009)10—0063一【J3
O引 言
超聲波電動機(jī)或壓電電動
機(jī)(Piezoelectric Motors)的基本原理是利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并使定子處于超聲頻率以上的機(jī)械共振狀態(tài)，然后依靠定、轉(zhuǎn)子間的摩擦力來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(或動子作直線運動)：超聲波電動機(jī)因具有傳統(tǒng)電磁電動機(jī)所無法擁有的某些優(yōu)點而填補(bǔ)了驅(qū)動應(yīng)用領(lǐng)域的空白：例如，超聲波電動機(jī)具有高致密性，即高力矩質(zhì)量比及低速時大扭矩特性，可以省去齒輪減速機(jī)構(gòu)；采用摩擦驅(qū)動機(jī)制可以斷電自鎖；高致密性與高頻激勵使其能快速響應(yīng)；結(jié)構(gòu)簡單使其易于微小型化；由于是準(zhǔn)靜電場激勵而無電磁場產(chǎn)生等等。
正是由于超聲波電動機(jī)具有上述優(yōu)點，在以下領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景和市場。相機(jī)自動聚焦裝
置、數(shù)據(jù)存儲、微電子產(chǎn)業(yè)、精密機(jī)械、生命科學(xué)及醫(yī)藥技術(shù)、光學(xué)、納尺度領(lǐng)域、機(jī)器人、玩具、建筑暖通空調(diào)控制系統(tǒng)等等。當(dāng)然，超聲波電動機(jī)新的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷浮現(xiàn)，如航天航空、汽車液壓及藥物傳遞。如果制造成本降低，一一些關(guān)鍵技術(shù)如效率、摩擦損耗等問題能夠解決，還可應(yīng)用于汽車等普通工業(yè)領(lǐng)域。以在汽車中的應(yīng)用為例，：2005年我國汽車年產(chǎn)量已達(dá)320萬輛，其中小轎車達(dá)110萬輛，假如每輛使用10個超聲波電動機(jī)，那么小轎車上的超聲波電動機(jī)年需求超過l 100萬臺，這是一個非常大的應(yīng)用市場。
根據(jù)美國創(chuàng)新研究及產(chǎn)品公司****報告，全球壓電作動器及壓電超聲波電動機(jī)市場約5 27億美元，至2011年可望達(dá)到10.66億美元。2011年，從電機(jī)類型上看，疊層壓電作動器及超聲波電動機(jī)以平均每年19.21％速度增長，其中行波型超聲波電動機(jī)每年以19.O％速度增長。
超聲波電動機(jī)雖然有著巨大的應(yīng)用前景，但目前還存在效率低、磨損嚴(yán)重、性能欠穩(wěn)定等缺點。電磁電動機(jī)效率****可達(dá)80％以上，而目前超聲波電動機(jī)****效率僅55％，低者只有1％～2％，大多在lO％～40％左右。低效率不僅使電機(jī)需要高電壓驅(qū)動，而且?guī)砣绨l(fā)熱、磨損嚴(yán)重、性能波動等一系列問題，這是制約其走出實驗室，進(jìn)入實用化、產(chǎn)業(yè)化的一個瓶頸。
1研究現(xiàn)狀
為了得到超聲波電動機(jī)效率的分布數(shù)據(jù)，我們在檢索項中輸入檢索詞提供的關(guān)于超聲波電動機(jī)效率的文章，并對實驗數(shù)據(jù)(去除熏復(fù)文章)摘錄，形成數(shù)據(jù)圖表，如圖1所示。
從圖中可看出，超聲波電動機(jī)的效率普遍小于40％。進(jìn)一步查閱文章內(nèi)容還可以看出：縱扭型電
機(jī)的效率較高，多在30％以上；彎曲行波型電機(jī)效率較低，多在30％以下，特別是圓柱體行波型超聲波電動機(jī)(形狀細(xì)長時也稱桿狀行波型超聲波電動機(jī))效率更低，多在lO％以下。在日本，佳能公司首先將環(huán)形行波型超聲波電動機(jī)應(yīng)用于相機(jī)聚焦鏡頭驅(qū)動裝置中，但環(huán)形電機(jī)效率較低且成本較高。桿狀行波型超聲波電動機(jī)結(jié)構(gòu)不涉及壓電陶瓷的粘貼問題，易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)，可降低成本，佳能公司試圖將桿狀行波型電機(jī)應(yīng)用于聚焦鏡頭。但桿狀電機(jī)在此之前效率更低，于是他們與高校合作，集中了一批高素質(zhì)的研究團(tuán)隊，投人大量人力物力，對所用的超聲波電動機(jī)進(jìn)行深入理論分析和大量實驗研究，使該電機(jī)的效率提高到40％。，于1992年成功應(yīng)用于相機(jī)的自動聚焦鏡頭中。佳能繼產(chǎn)業(yè)化成功以后，又在進(jìn)行更高效率電機(jī)的研究。主要著重于壓電陶瓷材料性能的提高，以疊層壓電陶瓷代替原先的獨立壓電陶瓷片，已研制出效率達(dá)55％的第二代圓柱體行波型超聲波電動機(jī)，如圖2所示。
可見，效率問題是超聲波電動機(jī)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵在美國，不僅一些****高校如MIT、stanf0rd Berkeley等在進(jìn)行超聲波電動機(jī)的研究，一些國防軍事部門如NAsA、JPL等也在進(jìn)行超聲波電動機(jī)的研究，且一些產(chǎn)品已在航空航天、半導(dǎo)體工業(yè)MEMs及B·oMEMs等領(lǐng)域得到應(yīng)用，但大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品還未出現(xiàn)。在美國工程索引上搜索到的超聲波電動機(jī)產(chǎn)品有40多個(約5種，包括不同型號)，大多是直線型超聲波電動機(jī)，均沒提供效率參數(shù)。圖3為美國EDO公司研制的直線型超聲波電動機(jī)，沒有給出效率數(shù)據(jù)，通過對給出的輸入電壓、電流及輸出速度及力矩等參數(shù)粗算，效率約10％左右。
目前，國內(nèi)超聲波電動機(jī)運行效率一般只有3％～15％，基本處于實驗室研究階段，超聲波電動
機(jī)基礎(chǔ)理論框架已基本構(gòu)建，進(jìn)一步的工作是對超聲波電動機(jī)理論進(jìn)行深入研究，在提高效率、減少磨損、延長壽命、降低成本等方面作深入研究，使超聲波電動機(jī)不僅可以面向高、精、尖技術(shù)在我國的發(fā)展前景，而且在日用消費品、汽車電器、精密設(shè)備等普通工業(yè)領(lǐng)域也能發(fā)掘出巨大的應(yīng)用潛力。
2研究進(jìn)展
電磁電動機(jī)能量損耗主要來自電場和磁場轉(zhuǎn)化過程中的銅損和鐵損。超聲波電動機(jī)驅(qū)動原理與電
磁電動機(jī)完全不同，影響電機(jī)效率因素也很復(fù)雜，除了有材料本身的熱能損耗，而且存在大量的振動能量損耗及摩擦損耗。超聲波電動機(jī)效率問題不僅涉及到材料性能，更重要是的涉及到其驅(qū)動原理。目前，超聲波電動機(jī)的效率問題主要從機(jī)械系統(tǒng)動杰學(xué)特性、材料、摩擦損耗、驅(qū)動、控制等方面進(jìn)行研究。下面以scI—E和IEEE數(shù)據(jù)庫中相關(guān)論文為背景，對超聲波電動機(jī)效率問題研究進(jìn)展進(jìn)行分析：
(1)模態(tài)頻率一致性
超聲波電動機(jī)工作狀態(tài)是定子的諧振狀態(tài)，而且通常情況下是由兩相激振才能產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)子的橢
圓運動，所以，兩相頻率一致才能保證電機(jī)的效率和穩(wěn)定性。從理論上講，對稱模態(tài)的頻率應(yīng)該是完全一致的，但由于材料的不均勻性或加工誤差，會導(dǎo)致兩相模態(tài)的不一致。采用復(fù)合模態(tài)的超聲波電動機(jī)更必須調(diào)整兩種模態(tài)頻率一致性。
Li z R等分析了多自由度超聲波電動機(jī)頻率一致性對效率的影響并研究了復(fù)合模態(tài)頻率一致性的
調(diào)節(jié)方法；Yi Y P等分析了縱扭型超聲波電動機(jī)縱振模態(tài)和扭振模態(tài)的頻率一致性問題：
(2)驅(qū)動電路及控制
超聲波電動機(jī)可以說是一個機(jī)電一體化的系統(tǒng)，效率的大小不僅依賴于其機(jī)械特性，也與驅(qū)動電
路及控制系統(tǒng)的特性密切相關(guān)。
xu J從驅(qū)動電路輸出阻抗與超聲波電動機(jī)等效阻抗匹配方向研究效率問題，當(dāng)兩者匹配時效率
峰值可達(dá)45％，但由于電機(jī)等效阻抗隨著負(fù)載和溫度的改變而改變，電機(jī)平均效率僅為16％PonsJ L等同樣討論了阻抗匹配對超聲波電動機(jī)效率的影響，并對超聲波電動機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。Tomonobu senjyu通過實驗研究超聲波電動機(jī)驅(qū)動頻率和效率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)****效率驅(qū)動頻率
點與電機(jī)諧振頻率存在一差值，并研究通過檢測輸出電壓，得到****效率驅(qū)動頻率點。Tien—chi
chen研究了環(huán)形行波型超聲波電動機(jī)的控制策略，
提出采用相位調(diào)制對超聲波電動機(jī)輸出速度進(jìn)行控
制有利于效率的提高。
(3)壓電材料及定子材料的影響
當(dāng)超聲波電動機(jī)作為機(jī)電一體化系統(tǒng)時，壓電陶瓷既是電路系統(tǒng)的負(fù)載，又作為機(jī)械共振系統(tǒng)的激勵源，是機(jī)、電兩個系統(tǒng)聯(lián)系的扭帶。因此，無論是壓電陶瓷的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，還是對定子機(jī)械共振的激振效率都起著至關(guān)重要的作用。定子材料的選擇同樣也影響著超聲波電動機(jī)的效率。
Mo血a T等研究了不同壓電陶瓷材料沉定層對電機(jī)效率的影響。；Ko H P定子材料對采用鋸齒波驅(qū)動的直徑型超聲波電動機(jī)性能的影響。Ro—driguez H等定性論述了定子材料與形狀對電機(jī)效率的影響。
近年，隨著壓電陶瓷的制作技術(shù)和工藝的提高，由多層壓電陶瓷片膠合在一起的疊層壓電陶瓷開始出現(xiàn)。疊層壓電陶瓷總輸出位移等于每層壓電片輸出位移之和，可以大大提高電機(jī)的效率，用疊層壓電陶瓷代替?zhèn)鹘y(tǒng)陶瓷片用于超聲波電動機(jī)的研究也越來越多。
(4)定、轉(zhuǎn)子接觸分析
超聲波電動機(jī)是采用定、轉(zhuǎn)子間的摩擦力進(jìn)行驅(qū)動的，摩擦在產(chǎn)生驅(qū)動力的同時也產(chǎn)生大量的摩擦損耗，這一部分能量損失占總體能量損耗的主要部分，是影響超聲波電動機(jī)的效率重要因素。因此很多研究者都在進(jìn)行相關(guān)方面的研究。
Qu J J分別采用粘彈性模型和有限元模型對定、轉(zhuǎn)子進(jìn)行了靜態(tài)接觸分析。Maeno T等采用有限元模型對定轉(zhuǎn)子進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)接觸分析，計算了定、轉(zhuǎn)子接觸面的stick／slip分布及特點，為研究電機(jī)效率提供了理論模型。P0ns J L采用定、轉(zhuǎn)子的參數(shù)化模型對環(huán)形行波型超聲波電動機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，模型中還包括定、轉(zhuǎn)子接觸最基本的粘彈性模型，將效率、轉(zhuǎn)矩等作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行幾何參數(shù)及材料參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。Kurosawa M等采用用等效電路法分析了影響桿狀行波型超聲波電動機(jī)效率的因素，并指出此類電機(jī)效率很低是由于存在徑向滑動；chen c等對行波型旋轉(zhuǎn)超聲波電動
機(jī)接觸界面徑向滑移對超聲波電動機(jī)效率的影響進(jìn)行了研究。
3結(jié)語
本文討論的效率問題是超聲波電動機(jī)實用化、產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問題；然后根據(jù)專業(yè)數(shù)據(jù)庫提供的資
料，分析了超聲波電動機(jī)效率問題的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展。從中可以得出以下結(jié)論：
(1)超聲波電動機(jī)效率問題是超聲波電動機(jī)性能的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，應(yīng)該成為研究的熱點；
(2)影響超聲波電動機(jī)效率問題的因素很多，涉及材料、電子、機(jī)械動力學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域。從動
力學(xué)特性來說，目前僅僅從頻率一致性進(jìn)行了研究，缺少系統(tǒng)、深入地研究。
(3)效率問題其實是能量的利用和損耗問題，即系統(tǒng)中能量的運行和轉(zhuǎn)化的合理性。超聲波電動
機(jī)的效率問題也應(yīng)該從能量的觀點進(jìn)行研究.
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