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瑞彩祥云

作者:時間:2019-08-13來源:網絡收藏

電磁電機與超聲電機比較

本文引用地址:/article/201908/403688.htm

一提到電動機人們可能馬上想到電磁電機。從1820年奧斯特發現電磁作用,到1836年電磁電動機應用于印刷機上,僅用了十幾年的時間。目前,電磁電機在日常生活和工業生産中都有著廣泛的應用。電磁電機利用電磁效應把電能轉換成機械能。一個常見的直流電磁電機的換能部件主要由定子和轉子組成;定子産生一個固定的磁場,轉子産生一個可以旋轉的磁場;定子與轉子不接觸,而通過兩個磁場的相互作用驅動轉子轉動。普通電磁電機的特點是轉速快,每秒上千轉。電動機的輸出功率是力矩乘以轉速,所以一般電磁電機的直接輸出力矩都比較小。

20世紀90年代日本佳能公司研制出一種壓電電動機,這種電動機的工作原理是利用逆壓電效應把電能轉換成機械能。常見的壓電電機也是由定子和轉子組成,但定子是由壓電材料和金屬材料組合制成,轉子是由金屬材料制成;壓電材料把電能轉換成機械振動能,激勵定子金屬體振動;轉子與定子相接觸,通過摩擦力,定子的振動驅動轉子運動。由于定子的振動頻率一般在大于20kHz的超聲頻段,因此人們也將壓電電機稱爲超聲電機。

早在1948年美国科学家威廉斯和布朗就申请了“超声电机”的专利。随后,很多人试图将超声电机的想法变成产品,都没有成功。1982年日本人指田提出了一个超声电机的設計方案;但直到1992年佳能公司才利用指田的方案制造出商业化的超声电机,并应用于照相机中,作为镜头调焦的驱动器。在此之后,许多国家都开展了超声电机的研究。目前超声电机已经广泛应用在光学仪器、高档轿车、精密仪器、自动控制、航空航天等许多领域。

超聲電機的工作原理和工作效果與電磁電機完全不同,一個主要特點就是超聲電機可以得到較低轉速,因此輸出力矩較大,可以省去減速機構直接帶動負載。除了轉速低,超聲電機還有很多其他的特點::(1)因爲超聲電機不使用電磁場作爲驅動力,因此電磁輻射小。許多情況下,不希望有電機産生強電磁幹擾,或者在強磁場環境中,電磁電機的正常工作會受到影響;而超聲電機不需要做太多的電磁屏蔽處理就可以在這些條件下工作。(2)超聲電機依靠定、轉子之間的接觸摩擦作爲驅動方式,關閉電源後轉子就會馬上停止,並在摩擦力的作用下固定不動;而步進電磁電機若要把所驅動的部件固定在一個位置上則需要電流來維持。(3)超聲電機的響應時間較短,一般在十幾毫秒以內。(4)超聲電機沒有電磁線圈,可以不用銅材,節省原料造價。(5)超聲電機的轉速可以通過改變驅動頻率進行調節,比較靈活。(6)超聲電機與電磁電機相比,還有一個最大的優勢就是在小尺寸時,電磁電機的效率急劇降低,並且很難制作出直徑在1mm量級的電磁電機,而超聲電機在很小尺寸上都可以有效工作。

各種各樣的超聲電機

超聲電機的工作原理,是把特殊形式的振動通過摩擦力轉換成轉動或平動。根據振動體的不同形式,可以制作出多種多樣的超聲電機。日本佳能相機中應用的超聲電機就有兩種。一種是環式電機,另一種是棒式電機。

環式電機的定子振動體和壓在其上的轉子都是圓環形薄片(圖1)。電機工作時,在定子圓環上産生的是彎曲振動的行波。行波是沿著圓環的周向行進,圓環表面質點的振動軌迹是橢圓形。表面質點在波峰處,位移有一個平行于靜止圓環的分量,這個分量通過摩擦驅動了與之接觸的環形轉子[圖1(b)]。轉子的中間放置鏡頭,轉子的轉動可以通過適當的機構轉換成鏡頭的直線運動,以達到調焦的目的。由于這種環式超聲電機是利用行波進行驅動,所以也稱爲行波超聲電機。

图1  行波超声电机工作原理

把轉動轉換成直線運動的方式很多,如圖2所示,轉子上連接一個圓筒,圓筒的側壁上開有斜槽,圓筒的中間放置鏡頭筒,鏡頭筒的外壁上固定有銷釘,銷釘插在斜槽中。當轉子轉動時,斜槽推動銷釘使鏡頭筒産生直線運動。

图2  转动转换成直线运动

環形行波超聲電機的輸出力矩一般不大。要得到較大力矩的行波超聲電機,定子和轉子都采用圓盤形,轉子的中間和輸出力矩的軸相聯。定、轉子的相互作用發生在圓盤的邊緣處。

佳能相機中,棒式超聲電機的工作方式有些像呼啦圈。定子是圓柱形。振動時,圓柱的軸線發生彎曲,這時定子端面上只有一個點與轉子相接觸(圖2)。改變圓柱彎曲的方向,接觸點的位置也改變。如果讓接觸點繞原軸線旋轉,與定子相接觸的轉子被摩擦力驅動隨著接觸點發生轉動。與呼啦圈類比,人的腰部對應于定子端面上的接觸點,轉子對應于圓圈。由于這種棒式超聲電機的定子是做彎曲旋轉運動,所以也被稱爲彎曲旋轉超聲電機,工作原理見圖3。

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图3  弯曲旋转超声电机工作原理图

(a)定、轉子結構示意圖

(b)分出4個電極對的壓電陶瓷片

(c)定子激振原理圖

棒式超聲電機可以做得很小。目前最細的超聲電機直徑約爲0.8mm,長度約爲6mm。定子也采取彎曲旋轉的形式運動。轉速可以從300轉/秒到3000轉/秒之間變化。這種微型超聲電機可以用作內窺鏡的掃描驅動器。

棒式超声电机除了有弯曲旋转型,还有扭纵型。扭纵型电机沿着轴线纵振动,同时围绕轴线扭转振动。纵振动使定、转子之间交替分离和接触。在扭转振动的前半个周期,定子与转子接触,通过摩擦驱动它向一个方向转动;扭转振动的后半个周期,定子反方向扭动,但此时定、转子恰呈分离状态,转子不会反方向运动。每个周期都重复该过程,转子就能保持向同一个方向旋转。扭纵超声电机的输出力矩可以很大,目前能达到40牛米。由于这种电机要产生两种振动,根据設計规律就要求轴向尺寸很大,因而限制了它的应用范围。

一种大力矩行波超声电机可以弥补扭纵超声电机在尺寸上的不足。在普通的圆盘行波超声电机中,定子和转子都是悬臂梁结构,圆盘的中间是支撑处。因为超声电机是靠摩擦力产生输出力矩,因此要得到大力矩,可以增加定、转子之间的压力。但这会引起定子和转子的较大变形,而在設計时很难确定两个变形,因此不容易設計出较好的结构,得到大力矩。新型大力矩行波超声电机中,把振动体作为转子,把外壳作为定子,这样就只有转子是悬臂梁,改善了受力结构,使得設計上比较容易实现大力矩输出。大力矩行波超声电机的形状为圆盘形,厚度约为40mm,输出的力矩可以驱动小轿车的车窗玻璃。目前,这种超声电机的输出力矩可以达到8牛米。

目前世界上手機的擁有量非常巨大,並且大多數手機都帶有照相功能。我們知道光學變焦的分辨率要高于數碼變焦,但是帶光學變焦的手機相機卻很少見,主要是因爲沒有適用于驅動鏡頭變焦的電機。雖然佳能公司的兩種超聲電機已經很成功地應用在照相機的調焦機構中,但他們尺寸都很難再減小。而電磁電機在小尺寸時效率很低,耗電量急劇增加,無法滿足使用要求。

爲解決手機光學調焦的難題,一種螺母型超聲電機應運而生。這種電機的定子爲螺母型,用空心螺杆作轉子,螺杆中空處放置鏡頭(圖4)。在定子的內壁上産生的是垂直于內壁振動的環繞行波,與圓環行波超聲電機相類似,行波波峰的運動驅動轉子螺杆轉動;螺紋驅動螺杆做直線運動,實現調焦。這種電機除了具有超聲電機的一般優點外,還具有省電、體積小和抗震等優點。螺母型超聲電機有望在近期應用于手機相機的光學調焦機構中。

图4  螺母型超声电机结构示意图

根據超聲電機的工作原理,超聲電機還可以制作出許多不同的形式。例如,超聲電機可以很容易實現直線運動;還可以實現多自由度運動。多自由度超聲電機的轉子是一個圓球,轉子上可以放置多個環形定子,每一個定子的軸線就是一個轉動軸,因此可以有多個轉動方向。另外,超聲電機的轉速既可以很慢,也可以很快,非接觸式高速超聲電機可以達到每分鍾上萬轉。

振動的形成

超聲電機需要有振動源,一般采用壓電陶瓷,把電能轉換成機械能。壓電材料有一個極化方向。如果在壓電材料的極化方向上加電壓時,當電場方向與極化方向一致或相反時,壓電材料會在極化方向上發生伸長或縮短變形;如果在垂直于極化方向上加電壓,就會産生剪切變形。

当电压方向交替变化时,就会产生交变的机械变形,即发生机械振动。振动的频率是和交流电的频率一致的。电机的机械振动频率在超声频段,因此超声电机需要一个超声频段的交流电源。适当設計定子的结构就可以得到需要的振动形式。例如,如图1(b)所示,要在环形行波超声电机的圆环表面上产生行波,可以把压电陶瓷片与金属圆环粘在一起;压电陶瓷片是在厚度方向上进行极化,两面上涂有银电极,沿着周向上分成许多对电极;当在厚度方向上加电压时,压电片在厚度上发生变形,同时根据弹性原理,在周向上也会发生变形。每对电极上加交变电压,使陶瓷片在周向上交变伸长和缩短。因为金属环和陶瓷片粘接在一起,因此金属环也交替发生伸长和缩短变形。如果电压交变频率与定子的振动模态频率一致,就会激励出相应模态的驻波振动。我们知道两个驻波可以形成一个行波,如果让相邻两对电极在空间和时间相位上都相差π/2,就可以激励出行波。

于此相類似,螺母型超聲電機是在螺母型定子外壁粘上壓電陶瓷片,每一個壓電片上按適當的時序加電後,可以在螺母內壁産生行波。

佳能相機中的棒式超聲電機的定子是兩個金屬圓環中間夾著壓電陶瓷圓環組成,環的中心穿有螺栓把它們聯在一起。壓電環沿著周向分成4對電極,如圖3(b)。加在相鄰兩個對電極上的電信號相差1/4周期,這樣,在一個方向上,相對的兩對電極上的電壓相差1/2周期,在另外一個垂直方向上,相對的兩對電極上的電壓爲零。如圖3(c)所示,在y方向上對稱的兩對電極上加的電壓相位相差1/2周期,一側産生壓縮變形,另一側就産生伸長變形,整個定子柱就會向負y方向發生彎曲,而在x方向上沒有發生變形。在1/4周期時間後,y方向上處于平衡位置,定子柱向正x方向彎曲。順序改變電信號,可以使彎曲的方向依次變化,産生旋轉的效果。

扭縱超聲電機也是棒式電機。它的定子是由兩個金屬圓環中間夾著兩組壓電陶瓷圓環組成,見圖5。一組壓電環沿著厚度方向極化,用于産生軸線的縱振;另一組壓電環沿著圓周方向極化,當在厚度方向上加電壓時會産生剪切變形,用于産生扭轉振動。兩組壓電陶瓷片上加的電壓的頻率相同,但有一個相位差。

图5  扭转超声电机定子结构

還有一類超聲電機爲振動模態轉換型。這類超聲電機的振動源比較簡單,一般只有單一的振動源,複雜的振動形式是靠結構來實現的。例如,在一個縱振棒的端部有特殊形狀的多個齒,振動激勵這些齒做複雜的運動,齒上壓著的轉子就會通過摩擦力産生轉動。

超聲電機研究進展、前沿和方向

超聲電機的研究涉及超聲學,壓電學,摩擦學和電子學等多學科,非常複雜。這也是爲什麽超聲電機從提出想法到實用花費了近50年時間的原因之一。

超聲學中的主要問題是如何産生簡單有效的振動;另外,在大力矩超聲電機中如何考慮轉子對振動體的影響也是一個難題。

壓電學中的一個重要研究內容就是如何得到無鉛的壓電材料。壓電材料種類很多,目前廣泛采用的壓電陶瓷爲锆钛酸鉛,含鉛,對環境有汙染。但因爲這種材料性能優良價格低廉,目前其他壓電材料無法相比。因此找到無鉛的、能夠替代目前采用的壓電陶瓷是當務之急。

摩擦學方面,目前大多數應用的超聲電機都是摩擦驅動型。而在超聲振動條件下,接觸面上摩擦的現象還需要深入研究。作爲超聲電機驅動機理研究中最爲關注的超聲振動對接觸界面摩擦特性的影響被列爲一萬個科學難題之一。

电子学中的主要研究内容就是要得到低成本的智能控制系统。超声电机只有在高性能的驱动電路系统的配合下,才能显示出它的市场竞争优势来。

超聲電機的研究方興未艾,目前成本較高是限制其廣泛應用的主要瓶頸之一。而我們期待著,隨著科學技術的發展,超聲電機的制造成本會逐步降低,在越來越多的地方發揮它的作用。



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