周铁英超声电机的发展与展望

超声电机的发展与展望

周铁英陈宇

(清华大学物理系, 北京 100084)

1 引言和回顾

超声电机是利用压电材料的逆压电效应制成的新型驱动器。它由定子、转子以及施加预

压力的机构等部件构成。把超声频交变电压加在压电陶瓷上可以在定子表面产生超声振动，

通过定子与转子之间的摩擦力驱动转子运动[1-2]。超声电机是多学科交叉的学科，它集超声学、振动学、材料学、摩擦学、电子学和控制科学为一体，需要众多领域合作研究。与电磁

电机相比，超声电机的主要特点包括：1、大力矩低转速，不需减速机构；2、能量密度大，

可达电磁电机的3－10倍；3、响应速度快，仅ms量级；4、定位精度高；5、无电磁干扰；6、因靠摩擦驱动，具有自锁功能。

国际上第一个超声电机的发明专利是1942 年美国人Williams 和Brown 申请的，该专

利1948年授权[3]。1982年日本成功地开发出行波型超声波电动机, 仅在5至7年之后，佳能、新生等几家日本公司就把超声波电动机推向市场，其中相机和打印机最为成熟。近期FUKOKU、ASUMO、精工仪器、佳能精机、京瓷、奥林巴斯光学工业、MITSUBA，SIGMAPHOTO（适马镜头）等单位都引入了超声电机的研发。图1是1998年日本超声电机

投放市场的分布图[4]，其中照相机和工业机械的市场占有率为88.2%，医疗器械 5.9%，汽

车电器3.6%。

1.5 0.7

3.6

5.9

照相机

工业机器

22.6

医疗器械

汽车

住宅设备

65.6

其他

图1 1998年日本超声电机投放市场的分布图

如图1所示，日本用于照相机调焦的主要超声电机是佳能使用的行波型和摇头型，有数

百个专利，基本形成市场的垄断。现在, 除了日本之外, 美国、德国、法国、瑞士、韩国、

土耳其、新加坡等都有超声电机产品进入市场。美国的一些著名大学, 如Stanford、Wisconsin、Berkeley、Penn. State等都投入很多力量研究超声电机。美国国防部门也投入很多人力物力

从事超声电机的研究。美国某些公司生产的超声电机产品已经在航空航天、半导体工业、MEMS、和BioMEMS等领域先后得到应用。

中国的产业化进程相对缓慢。我国超声波电动机的研究是从80 年代末、90 年代初开

始的，大致经历了跟踪学习、自主开发、实际应用推广3个发展时期。1985年到1991年间，国内学者开始撰写文章介绍超声波电动机[5，6]，1989 年清华大学和上海大学分别研究开

发出了压电蠕动型超声波致动器，哈尔滨船舶工程学院研制了环形超声电机[7,8]，1993年

浙江大学试制了行波型旋转超声波电动机，1994 年南京航空航天大学成立超声电机研究小组，并于1995年研制成功输出力矩和速度较稳定的环型行波型超声波电动机。1997年南京航空航天大学成立了超声电机研究中心，仅比美国宾州大学的换能器和驱动器研究中心晚 5 年[9,10]。我国的超声电机事业在国家自然科学基金的支持下，进行了应用基础研究和关键技术研究[11,12]，迄今得到长足的发展。

2我国超声电机从模仿进入独创的阶段

经过10年的努力，中国制造的行波型旋转超声波电动机的主要性能指标，除效率以及耐久性之外，已经非常接近日本新生工业公司的产品样本值了。表格1显示了南京航空航天大学、东南大学、浙江大学和新生工业的超声波电动机的性能比较。

表格 1

开发者名称无负荷转数最大力矩额定转数额定力矩

(rpm) 250 150 200 140 140 110 300 150 (mN-m)

100

(rpm)

180

100

150

80

(mN-m)

50

南京航空航天大学南京航空航天大学

东南大学TRUM-30

TRUM-60

UMT30

UMT60

UMT30

UMT60

USR30

1200

100

500

60

东南大学800 500

60

浙江大学100 120

75

浙江大学900 500

50

新生工业100 250

100

新生工业USR60 1000 500

除了行波型之外，纵扭复合振子型、弯曲模态回转型、模态变换型、复合模态型、双转子型、非接触型以及自校正步进型等各种各样的旋转超声波电动机也正在研究开发。表格 2 介绍了现在正在开发的旋转超声波电动机，其中浙江大学的大力矩型性能突出：直径80毫米的纵扭型电动机的最大力矩可以达到13Nm[13]。在原理和结构的创新方面，清华大学始终走在国内各单位前列，迄今共申请并获得批准的发明专利约20 项，实用新型专利约10 项，申请并公开的发明专利约20项。

表格 2

研究者清华大学名称

棒状

类型主要特征（无负荷转数和最大力矩）

400rpm, 300mN-m

模态回转型Φ10mm

行波型Φ100mm

驻波型Φ32mm

双转子Φ20mm

弹性鳍型Φ10mm

模态回转型Φ15mm

清华大学环型60rpm, 4000mN-m

清华大学纵扭型

圆柱型

圆柱型

杆型60rpm, 1600mN-m

扬州大学220rpm, 160mN-m

浙江大学200rpm, 8.2mN-m

南京航空航天大学225rpm, 420mN-m

我国从1988到2007年（部分）申请专利逐年增加，其中大多数是具有独立知识产权的发明专利[4]，批准和公开的总专利数达到一百五十多个（见表3），说明我们的研究工作已经有创新思路，从开始模仿国外的初期阶段到知识独立创新的新阶段。