材料对超声电动机性能的影响及其选择电能表

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 2011年12月09日 来源： 1 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。 20世纪70年代美国首先研制出超声电动机。近10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2.1 压电陶瓷的选择　 居里兄弟在100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［1～3］： (1)居里点较高，工作温度范围较宽。 (2)压电性能稳定、抗老化性能好。 (3)机械强度高，大功率下不易破裂。 (4)高的机电耦合系数(kp)。 (5)较高的压电常数(d33)，以便实现低电压驱动和大的转矩输出。 (6)低的介电损耗(tanδ)、高的机械品质因数(Qm)，从而提高机电能量转换效率。 (7)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-80、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＞500，d33＞250pC/m，tgδ1%，压电陶瓷片上各极化分区测量到的压电系数差值在±10%之间 。2.2 压电陶瓷片易破裂的原因分析

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