材料对超声电动机性能的影响及其选择

材料对超声电动机性能的影响及其选择

2 引言  超声电动机是利用超声振动作为驱动力的一种新型电动机,它由振动和移动两部分组成,靠 振动体和移动体之间的摩擦力来驱动。 22世纪72年代美国首先研制出超声电动机。近22年,由于压电陶瓷材料研究的突破,在全世 界掀起了超声电动机研究的高潮,相继开发出各种各样的超声电动机。由于该电动机没有铁 心和线圈、结构简单、体积小、重量轻、响应快、力矩大,不需配合减速装置就可以低速运 行,因此很适合用于办公室自动化设备、精密定位控制系统、照相机和摄像机等的驱动,也 可以用于机器人、汽车电器等的驱动。 超声电动机是利用压电陶瓷的逆压电效应,将电能转换为机械能的一种压电换能器,因而压 电材料对电动机的性能起着至关重要的作用。另外,超声电动机是靠摩擦驱动,将定子的振 动能转换为转子的旋转机械能,因此,摩擦材料也是影响电动机性能的重要材料。压电陶瓷 大都具有大的抗压强度,但抗张强度较小。因此,在利用其逆压电特性时,必须将其牢牢粘 于定子底部。否则,在激励下很容易破裂。而粘结的好坏直接决定于胶粘剂和粘结工艺。本 文将对这些材料的选择进行较详细的讨论,同时也介绍了其它材料的选择。2 压电材料2.2 压电陶瓷的选择  居里兄弟在222多年前发现了压电效应,开创了压电学的历史。但压电陶瓷真正在工程中获 得广泛应用还是在PbO3,ZrO3、TiO3等压电陶瓷出现以后。 压电陶瓷是电动机将电能转换为机械能的换能材料,也是电动机关键材料。超声电动机中通 常采用施加交变电压后能产生机械谐振位移的“硬性”压电陶瓷材料,其质量的好坏直接影 响电动机性能,所以要求压电陶瓷材料[2~3]: 居里点较高,工作温度范围较宽。 压电性能稳定、抗老化性能好。 机械强度高,大功率下不易破裂。 高的机电耦合系数。

较高的压电常数,以便实现低电压驱动和大的转矩输出。

低的介电损耗、高的机械品质因数,从而提高机电能量转换效率。

 较宽的响应频率。 国外基本上都采用大功率压电陶瓷材料,如PZT-4、PZT-8、PCM-5、PCM-82、PCM-88等。本 文分别采用了PZT-4和PZT-8材料。具体要求为:压电陶瓷片的Qm>522,d33>252pC/m,tgδ2%,压电陶瓷片上各极化分区测量到的压电系数差值在±22%之间 。2.2 压电陶瓷片易破裂的原因分析

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