材料化学专题教育课件省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1 超声电机理论和应用超声电机理论和应用 第一讲第一讲 概述概述 第1页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1第一讲概述第一讲概述 1.1 1.1 课程设置目标和要求课程设置目标和要求目:l 对超声电机原理、结构及其设计方法有一个系统知识;对超声电机原理、结构及其设计方法有一个系统知识;l 对对超声电机超声电机当前应用及其应用前景有一个大约认识;当前应用及其应用前景有一个大约认识;l 对当前超声电机存在问题有一个
2、深入了解对当前超声电机存在问题有一个深入了解;l 为硕士们下一阶段从事超声电机研究奠定基础。为硕士们下一阶段从事超声电机研究奠定基础。要求:要求:l 对书要求仔细阅读,发觉问题,开展讨论;对书要求仔细阅读,发觉问题,开展讨论;l 开展讨论式教学,踊跃讲话;开展讨论式教学,踊跃讲话;l 理论联络实际,要多看,多动手做试验。理论联络实际,要多看,多动手做试验。1.引言第2页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.11.2 1.2 本讲主要内容本讲主要内容l超声电机定义和基本原理超声电机定义和基本原理超超l超声电机特点和分类超声电
3、机特点和分类l超声电机国内外发展及应用超声电机国内外发展及应用l超声电机在本研究所发展和应用超声电机在本研究所发展和应用l超声电机技术应用前景超声电机技术应用前景l当前超声电机急需处理技术难题当前超声电机急需处理技术难题l本研究所正在进行主要课题本研究所正在进行主要课题本讲参考资料:赵淳生著 超声电机技术与应用 北京 科学出版社.9.第1章第3页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1 超声电机超声电机(Ultrasonic motor,Ultrasonic wavewave motor USM):l 一个全新概念微特电机
4、。一个全新概念微特电机。l 利用压电材料逆压电效应,激发弹性体在超声频段内微幅利用压电材料逆压电效应,激发弹性体在超声频段内微幅 振动,并经过定、转子(动子)之间摩擦作用振动,并经过定、转子(动子)之间摩擦作用,将其振动转将其振动转 换成转子(动子)旋转(直线)运动。换成转子(动子)旋转(直线)运动。l 从能量转换观点看,它是一个能量变换器。从能量转换观点看,它是一个能量变换器。2.超声电机定义和基本原理2.1 2.1 定义定义电能电能逆压电效应振动能振动能摩擦作用单方向运动能单方向运动能 Vibration motor,Piezoelectric motor Piezomotor第4页“超声
5、电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1传统电机传统电机 电磁效应电磁效应超声电机超声电机 逆压电效应超声振动逆压电效应超声振动 突破了传统电机概念:突破了传统电机概念:转动机理图转动机理图压电效应压电效应逆压电效应逆压电效应 2.2 2.2 基本原理基本原理第5页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1结构分解图结构分解图转动机理图转动机理图结构分解图结构分解图第6页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11
6、.12007.11.1转转 子子椭圆运动椭圆运动行波行波椭圆运动椭圆运动第7页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1 3.3.超声电机特点与分类超声电机特点与分类 3.1 3.1 特点特点*扭矩扭矩扭矩扭矩/重量比大(重量比大(重量比大(重量比大(为电磁电机为电磁电机为电磁电机为电磁电机 5-10 5-10 5-10 5-10 倍倍倍倍);*不需减速齿轮箱,就能实现低速大扭矩;不需减速齿轮箱,就能实现低速大扭矩;不需减速齿轮箱,就能实现低速大扭矩;不需减速齿轮箱,就能实现低速大扭矩;*响应快响应快响应快响应快(毫秒级毫秒
7、级毫秒级毫秒级),控制性能好;,控制性能好;,控制性能好;,控制性能好;快速响应演示装置快速响应演示装置 响应特征比较响应特征比较第8页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1电磁电机与超声电机电磁电机与超声电机效率与尺寸关系效率与尺寸关系 *电磁兼容性好;电磁兼容性好;电磁兼容性好;电磁兼容性好;*噪声小(噪声小(噪声小(噪声小(在在在在 100 mm 100 mm 100 mm 100 mm 之内,之内,之内,之内,45 dB 45 dB 45 dB 45 dB););););*可在真空和低温下工作;可在真空和低温下工
8、作;可在真空和低温下工作;可在真空和低温下工作;*形状多样化:形状多样化:形状多样化:形状多样化:圆形、方形、圆环形和圆柱形等;圆形、方形、圆环形和圆柱形等;圆形、方形、圆环形和圆柱形等;圆形、方形、圆环形和圆柱形等;*超声电机效率不随尺寸减小而下降超声电机效率不随尺寸减小而下降。第9页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1分类方法分类方法类型类型波传输方式行波型、驻波型行波型、驻波型运动输出方式运动输出方式旋转型、直线型旋转型、直线型定、转子接触方式接触式、非接触式接触式、非接触式压电元件对定子激振方式共振式、非共振式
9、共振式、非共振式转子运动自由度数单自由度、多自由度单自由度、多自由度按面外和面内振动按面外和面内振动面外模态、面内模态面外模态、面内模态定子结构形式板式、环式、杆式、壳体式板式、环式、杆式、壳体式 3.2 3.2 超声电机分类超声电机分类*以其振动特征来进行分类:纵振电机、纵以其振动特征来进行分类:纵振电机、纵/弯电机、纵弯电机、纵/扭扭 电机、弯电机、弯/弯电机和基于面内振动模态超声电机。弯电机和基于面内振动模态超声电机。第10页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1 4.4.超声电机国内外发展与应用超声电机国内外发展
10、与应用 4.1 4.1 国外发展国外发展l19481948年,年,Williams Williams 和和 Brown Brown 申请了第申请了第1 1个个“压电马达压电马达”专利专利;l1973年年,IBM企业企业 H.V Barth 提出超声机原理性样机;提出超声机原理性样机;l1976年,前苏联年,前苏联 V.V.Lavineneco 等人提出超声机原理性样机;等人提出超声机原理性样机;l8080年代早期日本指田年生(年代早期日本指田年生(SashidaSashida)制造出驻波和行波型样机;)制造出驻波和行波型样机;l9090年代早期日本年代早期日本CanonCanon企业将行波超声
11、电机应用于摄影机;企业将行波超声电机应用于摄影机;l2020世纪末,美、德、世纪末,美、德、韩国韩国等国家开始究;等国家开始究;l2121进世纪开始,法国、英国、瑞士、土耳其等也开始研究。进世纪开始,法国、英国、瑞士、土耳其等也开始研究。当前还是日本事先,美国其次。当前还是日本事先,美国其次。第11页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.14.2 4.2 超声电机在国外应用超声电机在国外应用第12页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1日本日本第13
12、页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1Canon 超声电机用于摄影机超声电机用于摄影机杆型超声电机环型超声电机应用杆型超声电机摄影机 应用环型超声电机摄影机第14页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1 超声电机超声电机应用在其它领域举例应用在其它领域举例汽车坐椅头靠汽车坐椅头靠 用于彩色复印机用于彩色复印机 用于磁悬浮列车用于磁悬浮列车第15页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007
13、.11.1 超声电机超声电机 用于机器手用于机器手Master handSlave hand第16页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1Piezoelectric Impact Actuator for manipulating the cell in artificial fertilization(Univ.of Tokyo,Nano Control)冲击式直线冲击式直线超声电机超声电机 直线型超声电机应用医疗系统直线型超声电机应用医疗系统第17页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程
14、讲授内容2007.11.12007.11.1 超声电机在微型机器人和超声电机在微型机器人和空中机器上空中机器上应用应用微微型型机器机器人人空中机器人空中机器人 (日本 Epson(株)企业超薄型超声电机,重:0.89 g,厚:0.4 mm)第18页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1 Seiko Epson Micro Aerial Vehicle with four USMs第19页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1 美国美国 20世纪末,
15、世纪末,美国美国开始究,发展得最快,应用领域也开始究,发展得最快,应用领域也最广:最广:大学:大学:MIT,Stanford,Berkeley,Wisconsin,Penn.State 国防部门:国防部门:NASA,JPL,DARPA(Defense Advanced Research Project Agency).美国超声电机主要应用武器装备和航空天领域。美国超声电机主要应用武器装备和航空天领域。第20页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1美国己将它应用火星探测器美国己将它应用火星探测器,如在如在 Mars Arm
16、II Mars ArmII上使用了上使用了4 4个超声电机:个超声电机:1 1个电机堵转扭矩个电机堵转扭矩0.05Nm0.05Nm;另外另外3 3个堵转扭矩为个堵转扭矩为0.68Nm0.68Nm。比同等功效电磁电机轻。比同等功效电磁电机轻 40%40%应用于火星机器手应用于火星机器手 Mars Arm-II Mars Arm-II在在RoverRover上作动器上作动器/电机分布电机分布第21页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1 美国在微型飞行器、导弹和核弹头上也都使用美国在微型飞行器、导弹和核弹头上也都使用了超声电
17、机。了超声电机。美国美国AlliedSignalAlliedSignal企业已批量生产行波型旋企业已批量生产行波型旋转超声转超声 电机,专供美国军方使用。电机,专供美国军方使用。应用于应用于CalileoCalileo航航天器摄影系统天器摄影系统核弹头保护装置核弹头保护装置人造卫星人造卫星昆虫飞行器昆虫飞行器第22页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1第23页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1用于手机摄影机微型超声电机结构模型用于手机摄影机微
18、型超声电机结构模型 有微型超声电机手机有微型超声电机手机 第24页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.14.3 4.3 国内发展和应用国内发展和应用l 20 20世纪末,清华大学、南航大、吉林大学、哈工大、浙大、中世纪末,清华大学、南航大、吉林大学、哈工大、浙大、中 科院长春科院长春 光机所光机所 l 1989 1989年,清华大学周铁英教授申请了首个年,清华大学周铁英教授申请了首个“钳位微动马达钳位微动马达”创造专利;创造专利;l 1995.12.1995.12.南航大研制成功首台实际能运行旋转型行波超声南航大研制成功
19、首台实际能运行旋转型行波超声 电机,电机,1996.1,1996.1,在航空总企业主持下,经过了以冯纯伯院士在航空总企业主持下,经过了以冯纯伯院士 为首教授组判定;为首教授组判定;l 1999.5 1999.5 在南航大主持召开了在南航大主持召开了“首次全国超声电机技术研讨会首次全国超声电机技术研讨会”;l.5 .5 在浙大召开了在浙大召开了“全国第三次超声波电机理论和应用技全国第三次超声波电机理论和应用技 术研讨会术研讨会”;l.9.12-14 .9.12-14 在南航大主持召开了在南航大主持召开了“第四届国际压电材料及其第四届国际压电材料及其 在作动器上应用研讨会在作动器上应用研讨会”第2
20、5页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1全国第三届超声波电机理论和应用技术研讨会全体教授与代表全国第三届超声波电机理论和应用技术研讨会全体教授与代表第26页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1第27页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1第28页“超声电机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.1第29页“超声电
21、机理论和应用超声电机理论和应用”研究生课程讲授内容研究生课程讲授内容2007.11.12007.11.15.5.超声电机在本研究所发展和应用超声电机在本研究所发展和应用 5.1 5.1 发展概况发展概况 1992-1994年,赵淳生教授参加了美国MIT航空航天系、电机与计算机 系超声电机研究工作;1994 年回国,1995年初组织了“超声电机研究”课题组;1997 年成立了南航大超声电机研究中心;2000 年在南航大成立了全国唯一“江苏超声电机工程研究中心”;先后取得 17 项各类基金项目(其中包含四项国家自然科学基金面上 项目和一项重点项目、一项863项目、一项总装备部重点项目);先后研制了
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