超声电机的应用

超声电机的应用

Application of ultrasolic motor

摘要：随着科学技术的进步，一些更加前沿的领域，比如航空航天，精密仪器等，对所使用的电机有更多的要求，比如尺寸微小，噪声低，无电磁干扰等，受制于工作原理和结构形式，传统电磁电机已经无法完全满足这些要求。因此各国科学家纷纷探索基于其他工作原理的新型微特电机，如静电电机，光热电机，超声电机，形状记忆合金电机，微波电机等。其中超声电机由于具有卓越的优点，目前发展迅速，应用也较为广泛。本文主要介绍超声电机目前的应用和潜在的应用价值，以及制约其大规模应用的问题所在。

Abstract: With the progress of science and technology, some more frontier areas, such as aerospace, precision instruments, etc. have more request for the use of motor, such as small size, low noise, no electromagnetic interference, etc. Subjected to the working principle and structure form, the traditional electromagnetic motor cannot completely satisfy these requirements.So scientists are exploring a new type of micro motor based on other working principle such as electric motor, the motor of field, ultrasonic motor, the shape memory alloy motor, microwave machine, etc.The ultrasonic motor is developing rapidly and widely applied at present because of its outstanding advantages.This paper mainly introduces current application and potential application value of the ultrasonic motor, and the problem that constraints its

large-scale application.

关键字：超声电机，航空航天，机器人，医疗，工程工业。

Key words: ultrasonic motor, aerospace, robot, medical, industrial engineering.

超声电机的优点

超声电机与传统电机相比, 具有以下特点:结构简单、紧凑、转矩/质量比大(是传统电机的3~10倍);低速大扭矩, 无需齿轮减速机构, 可实现直接驱动;响应快(毫秒级);断电自锁;在闭环条件下速度和位置控制性好, 分辨率高;不产生磁场, 不受外界磁场干扰;容易做成直线型超声电机;形状可以多样化(圆的、方的、空心的、杆状的), 等等。由于其优异的性能，超声电机在很多场合都可以取代电磁电机，拥有广阔的应用前景。

目前超声电机主要应用于航空航天，精密仪器，相机等，其中日本是超声电机最发达，也是产业化最早，目前最成熟的国家。

在航空航天中的应用

最近几年美国在宇宙飞船、火星探测器、运载火箭、核弹头等航空航天工程中都陆续应用了超声电机。图1为美国喷气推进实验室(JPL)和MIT将联合研制的超声电机应用于火星探测微着落器。该电机扭矩达2.8 N·m, 使用最低温度达-100℃, 比用传统的电机减轻质量30%。此外，美国国家航空航天局(NASA)的Coddar Space Flight Center将超声电机应用于空间机器人技术。其中微型机械手Micro Arm I使用了扭矩5 mN·m的超声电机。火星机械手Micro Arm II使用了三个扭矩为0.68 N·m和一个扭矩为0.11 N·m的超声电机。它们比使用同等功能的传统电机轻40%。图2为美国把微型超声电机应用于质量为7 ～ 8 kg的纳米卫星。

图1 USM 应用于火星探测微着落器图2 USM 应用于纳米卫星

在国内，南航大研制的超声电机也已经应用在嫦娥三号的红外光谱仪上。

图3，应用于嫦娥三号上的超声电机

除了在航天领域，超声电机也应用于航空领域，其中之一便是飞机的颤振主动抑制。颤振主动抑制是一个伺服气动弹性稳定性问题，设计飞机结构，空气动力与控制系统的相互影响，包括弹性力，惯性力，气动力和控制力的联合作用。

早期的颤振主动抑制研究中，驱动控制面转动的作动器多用液压伺服系统。而超声电机所具有的低速大扭矩，断电自锁，响应快和扭矩/质量比大等优点使其成为控制面作动器的最佳选择。图为南航大研制的采用TRUM-45型超声电机的二维机翼段面控制系统结构图。

图4 USM应用于机翼颤振模型试验

在机器人上的应用

电机是机器人驱动系统中的执行元件，传统方法是采用步进电动机、直流伺服电动机或无刷电动机。为获得定位控制系统所要求的低速大转矩，传统的驱动机构必须使用减速传动机构，这不仅增加了机构部件的复杂性和机器人的重量，而且减速齿轮带来不可避免的间隙和磨损会严重阻碍控制系统快速性和精确性

的提高。超声电机具有低速大转矩的特点，可直接驱动机器人的操作机构，不需传动机构，减小了传动装置的占用空间和质量，同时，它还具有响应速度快、无电磁噪声等特点，超声波电机的上述特性有助于工业机器人的结构紧凑、控制精确和动作迅速。图5是东南大学研制的超声电机驱动的二轴机械臂控制系统，机械臂两关节处分别装有Φ100mm和Φ60mm 行波超声电机，由超声电机驱动机械臂360度旋转，两电机各安装有3600 线增量式光栅作为位置传感器。该系统可应用于机器人手臂，可实现超声电机驱动的二轴机械臂的快速、精确伺服定位控制。

图5 二自由度机械臂示意图和实物图