超声波电机：USR系列工作原理及特点分析

超声波电机：USR系列结构及工作原理

超声波电机：USR系列结构

超声波电机：USR60系列结构

超声波电机：USR系列由四个主要部件组成：传递振动的定子、旋转的转子、向电机传递力的轴以及起轴承作用的轴承。

定子由产生振动的压电陶瓷、放大振动的定子金属以及与转子接触的滑动材料组成。

虽然结构非常简单，但每个元件都经过精密计算，具有稳定的旋转性能、大的夹持力和高的安静性。

标准电机和无磁电机均不使用任何产生电磁波的部件。
无磁电机通过使用不受磁性影响的定子金属和轴承材料，实现在高磁场环境下的稳定运行。

超声波电机：USR系列工作原理

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  施加到转子和定子上的力的图像

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• 大纲

  超声波电机通过向压电陶瓷施加电压而使其变形，并且该变形被定子金属放大并传播，导致定子金属的表面变形为波状形状。该波的峰值作为行波移动，导致与定子接触的转子由于摩擦力而旋转。

  超声波马达夹持力高

  由于转子和定子之间施加高压，因此停止时最大的摩擦力是超声波电机的保持力。

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  转子旋转原理图

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• 超声波电机旋转原理

  通过向压电陶瓷施加电压，压电陶瓷发生变形和扭曲，并且这种变形被定子金属放大并传播，在定子金属的表面上产生行波。
  这里，定子金属仅在表面行波的每个顶点处接触转子，并且每个顶点以椭圆运动运动。
  转子在其椭圆运动的影响下旋转。

  这种椭圆运动的轨迹与行波传播的方向相反，受其影响的转子也沿与行波相反的方向旋转。
  换句话说，当行波绕定子圆周顺时针 (CW) 传播时，接触转子的行波的每个顶点都会经历逆时针 (CCW) 椭圆运动。
  与波峰接触的转子沿与椭圆运动相同的方向逆时针 (CCW) 旋转。

  通过控制该行波的速度和方向，可以在CW和CCW方向之间切换，实现超声波电机的高响应性。

超声波马达：USR系列的特点

Shinsei Kogyo的超声波马达：USR系列具有小型、低速、高扭矩、并具有优异的响应性和安静性。此外，由于它在未通电时具有较高的保持力，因此可以构建总重量较轻的运动部件，而无需齿轮或其他减速器。
超声波电机不使用线圈或磁铁的电磁力作为驱动力，并且不受磁力的影响。
另外，由于旋转时不产生磁性，因此可以在MRI或超导实验设备附近等强磁场环境中安全使用。

超声波电机目前有着广泛的应用。

典型特征

低速、高扭矩

超声波电机的特点是转速低，每分钟几十到几百转，扭矩大。
无需齿轮或其他减速机构即可直接驱动，从而可以构建零齿隙的运动部件。

未通电时保持力高

即使电源关闭，超声波电机也会因摩擦力而保持较高的保持力。
因此，超声波电机不需要制动器或离合器，从而可以构建没有电磁制动器或离合器的轻量化系统。

高响应性和控制力

转子的惯性小，转子与定子之间的摩擦产生的制动力大，因此在停止时表现出优异的响应性。
速度控制也是无级的，机械时间常数小于1[ms]，提供优异的可控性。
因此，高精度的速度和位置控制是可能的。

不受磁力影响，不发射电磁波

超声波电机不产生电磁波，因为它们不使用绕组或磁铁。
特别是非磁型超声波电机不使用任何磁性材料，因此在强磁场环境下也能稳定运行，不受磁性的影响。

小、薄、轻

与使用电磁力且具有相同扭矩的电机相比，它们更小、更薄且重量仅为其一小部分。
通过将其用作多关节机器人的手臂和腿部的执行器，可以减轻各关节的重量。
因此，我们可以期待机器人和整个系统的响应能力和有效负载的提高。

优秀的安静性

用于驱动的振动在听不见的范围内，因此运行噪音非常安静。
此外，通过不使用齿轮，可以避免驱动单元发出的噪音。