ANSYS柱体超声波电机的阻频特性计算(4)
电磁电机转速高、转矩小、转子惯量大，响应时间常大于10ms，且随着减速箱的增加而增大。而且由于响应慢，电机的启停角度很大，通常是转动的一部分。
USM由于转矩大、空载转速低、转于惯量小，其响应时间常小于1ms。快速响应需要以1OOkHz或更高的频率采样的电机才能获取加减速过程，在这些瞬态运动中，转子位置以0 01。数量级变化，此处的小角度响应解释了为什么USM能在闭环控制中实现几个纳米的分辨率，反映在角度上可达百分之几弧度秒的分辨率。快速响应性极大地增加了闭环系统的稳定性，使得定位调整频率可高达1kHz。
1.4.2 超声波电机的优点
超声波电动机将电致伸缩、超声振动、波动原理这些毫不相干的概念与电机联系在一起，创造出一种完全新型的电动机。
(1) 低速大转矩: 在超声波电机中，超声振动的振幅一般不超过几微米，振动速度只有几厘米每秒到几米每秒。由于定子和转子间靠摩擦力传动，若两者之间的压力足够大，转矩就很大。
(2) 体积小、重量轻、易于生产: 超声波电机不用线圈，也没有磁铁，结构相对简单，与普通电机相比，在输出转矩相同的情况下，可以做得更小、更轻、更薄。因为没有线圈绕组，简化了生产工艺。
(3) 反应速度快，控制特性好: 超声波电动机靠摩擦力驱动，移动体的质量较轻，惯性小，响应速度快，起动和停止时间为毫秒量级。因此它可以实现高精度的速度控制和位置控制。
(4) 无电磁干扰: 超声波电动机没有磁极，因此不受电磁感应影响。同时，它对外界也不产生电磁干扰，特别适合强磁场下的工作环境。在对EMI(电磁干扰)要求严格的环境下，采用超声波电机也很合适。
(5) 停止时具有保持力矩: 超声波电动机的转子和定子总是紧密接触，切断电源后，由于静摩擦力的作用，不采用刹车装置仍有很大保持力矩，尤其适合宇航工业中失重环境下的运行。
(6) 形式灵活，设计自由度大: 超声波电动机驱动力发生部分的结构可以根据需要灵活设计。
(7) 运行无噪声：超声波电机的工作频率为20KHz以上，该频率已高于人耳所能接受的声音频率。另外，使用超声波电机省掉了减速机构，这也减少了噪声的产生。
(8)耐低温和耐真空、适合太空环境：超声波电动机及其驱动装置的耐低温、耐真空的特性，可将其作为宇航机械系统和控制系统的驱动装置。
1.4.3 超声波电机的缺点
(1) 驱动控制电路复杂：为了能够激发定子振动体的超声振动，并使能量转换效率达到最大，就必须有专用的高频激励电源，一般需要能够输出两相或多相交变的高频电压，并且每相电压的相位必须可调。
(2) 运行效率低：超声波电机有两个能量转换过程，在摩擦耦合这个能量转换过程中，摩擦损耗是无法避免的，而且这一部分能量损耗比较大。
(3) 寿命较短：超声波电机的工作原理决定了这种电机的运行寿命受到较大的限制。由于依靠摩擦力驱动，电动机定转子间摩擦材料的摩擦损耗是不可避免的，摩擦产生的热量也会加速摩擦材料的磨损，缩短了电机的使用寿命。
(4) 成本高：其基本零件包括压电陶瓷、定子和转子都有较高的加工精度要求，因此生产成本价高；
(5) 电动机性能对温度变化敏感：当温度达到压电陶瓷的居里温度点时，压电陶瓷就会产生退极化现象。
1.5 本课题的选题意义
超声波电机涉及材料学、弹性力学、机械振动学、摩擦学、电力电子技术、自动化技术等多门学科领域, 是一种典型的机电一体化产品。经过20多年的发展, 超声波电机技术仍处于理论探索、改进设计的初始阶段, 实际产品化的并不多,其工作过程的精确理论、技术特性的极限估计、控制特性的分析、效率的提高、新振动模式的应用以及摩擦材料的开发等尚有许多理论问题需要研究解决, 在降低成本、延长使用寿命、改进压电陶瓷材料性能和提高输出效率上还需要多下功夫。其中柱体超声波电机，因结构分区极化方式相对比较简单，更容易进入产品批量化生产领域，所以近年来微型电机的研究工作都是围绕其展开的。基于以上考虑，本课题将着重研究柱体摇头型超声波电机的工作原理及其阻频特性的分析。