超聲波電機：USR系列工作原理及特點分析

超聲波電機：USR系列結(jié)構(gòu)及工作原理

超聲波電機：USR系列結(jié)構(gòu)

超聲波電機：USR60系列結(jié)構(gòu)

超聲波電機：USR系列由四個主要部件組成：傳遞振動的定子、旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、向電機傳遞力的軸以及起軸承作用的軸承。

定子由產(chǎn)生振動的壓電陶瓷、放大振動的定子金屬以及與轉(zhuǎn)子接觸的滑動材料組成。

雖然結(jié)構(gòu)非常簡單，但每個元件都經(jīng)過精密計算，具有穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)性能、大的夾持力和高的安靜性。

標準電機和無磁電機均不使用任何產(chǎn)生電磁波的部件。
無磁電機通過使用不受磁性影響的定子金屬和軸承材料，實現(xiàn)在高磁場環(huán)境下的穩(wěn)定運行。

超聲波電機：USR系列工作原理

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  施加到轉(zhuǎn)子和定子上的力的圖像

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• 大綱

  超聲波電機通過向壓電陶瓷施加電壓而使其變形，并且該變形被定子金屬放大并傳播，導(dǎo)致定子金屬的表面變形為波狀形狀。該波的峰值作為行波移動，導(dǎo)致與定子接觸的轉(zhuǎn)子由于摩擦力而旋轉(zhuǎn)。

  超聲波馬達夾持力高

  由于轉(zhuǎn)子和定子之間施加高壓，因此停止時最大的摩擦力是超聲波電機的保持力。

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  轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)原理圖

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• 超聲波電機旋轉(zhuǎn)原理

  通過向壓電陶瓷施加電壓，壓電陶瓷發(fā)生變形和扭曲，并且這種變形被定子金屬放大并傳播，在定子金屬的表面上產(chǎn)生行波。
  這里，定子金屬僅在表面行波的每個頂點處接觸轉(zhuǎn)子，并且每個頂點以橢圓運動運動。
  轉(zhuǎn)子在其橢圓運動的影響下旋轉(zhuǎn)。

  這種橢圓運動的軌跡與行波傳播的方向相反，受其影響的轉(zhuǎn)子也沿與行波相反的方向旋轉(zhuǎn)。
  換句話說，當行波繞定子圓周順時針 (CW) 傳播時，接觸轉(zhuǎn)子的行波的每個頂點都會經(jīng)歷逆時針 (CCW) 橢圓運動。
  與波峰接觸的轉(zhuǎn)子沿與橢圓運動相同的方向逆時針 (CCW) 旋轉(zhuǎn)。

  通過控制該行波的速度和方向，可以在CW和CCW方向之間切換，實現(xiàn)超聲波電機的高響應(yīng)性。

超聲波馬達：USR系列的特點

Shinsei Kogyo的超聲波馬達：USR系列具有小型、低速、高扭矩、并具有優(yōu)異的響應(yīng)性和安靜性。此外，由于它在未通電時具有較高的保持力，因此可以構(gòu)建總重量較輕的運動部件，而無需齒輪或其他減速器。
超聲波電機不使用線圈或磁鐵的電磁力作為驅(qū)動力，并且不受磁力的影響。
另外，由于旋轉(zhuǎn)時不產(chǎn)生磁性，因此可以在MRI或超導(dǎo)實驗設(shè)備附近等強磁場環(huán)境中安全使用。

超聲波電機目前有著廣泛的應(yīng)用。

典型特征

低速、高扭矩

超聲波電機的特點是轉(zhuǎn)速低，每分鐘幾十到幾百轉(zhuǎn)，扭矩大。
無需齒輪或其他減速機構(gòu)即可直接驅(qū)動，從而可以構(gòu)建零齒隙的運動部件。

未通電時保持力高

即使電源關(guān)閉，超聲波電機也會因摩擦力而保持較高的保持力。
因此，超聲波電機不需要制動器或離合器，從而可以構(gòu)建沒有電磁制動器或離合器的輕量化系統(tǒng)。

高響應(yīng)性和控制力

轉(zhuǎn)子的慣性小，轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦產(chǎn)生的制動力大，因此在停止時表現(xiàn)出優(yōu)異的響應(yīng)性。
速度控制也是無級的，機械時間常數(shù)小于1[ms]，提供優(yōu)異的可控性。
因此，高精度的速度和位置控制是可能的。

不受磁力影響，不發(fā)射電磁波

超聲波電機不產(chǎn)生電磁波，因為它們不使用繞組或磁鐵。
特別是非磁型超聲波電機不使用任何磁性材料，因此在強磁場環(huán)境下也能穩(wěn)定運行，不受磁性的影響。

小、薄、輕

與使用電磁力且具有相同扭矩的電機相比，它們更小、更薄且重量僅為其一小部分。
通過將其用作多關(guān)節(jié)機器人的手臂和腿部的執(zhí)行器，可以減輕各關(guān)節(jié)的重量。
因此，我們可以期待機器人和整個系統(tǒng)的響應(yīng)能力和有效負載的提高。

優(yōu)秀的安靜性

用于驅(qū)動的振動在聽不見的范圍內(nèi)，因此運行噪音非常安靜。
此外，通過不使用齒輪，可以避免驅(qū)動單元發(fā)出的噪音。