超声波电机的发展及应用

超声波电机的发展及应用

1.超声波电动机原理

超声波电动机(Ultrasonic Motor缩写USM)是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器。是国外近20年发展起来的一种新型电机。与传统的电机不同，超声波电机无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。一般由振动体(相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成)和移动体(相当于传统电机中的转子，由弹性体和摩擦材料及塑料等制成)组成。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使定子在超声频段(频率为20KHZ以上)产生微观机械振动。并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动。逆压电效应能够在振动体内激发出几十千赫的超声波振动 ,使振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率的微观振动(振幅一般为数微米) ,如椭圆、李萨如轨迹等 ,该微观振动通过振动体和移动体之间的摩擦作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。因此 ,超声波电机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。

近几年发展出了多种超声波电机，如环形行波USM、步进USM、多自由度USM等，且行波型USM 已有较成熟的设计。下面来说明一下行波型USM的原理。行波型USM要旋转，需要具备两个条件：与转子相接触的定子表面质点须做椭圆运动 ,定子、转子之间的接触面须有摩擦力。图 1 中的弹性体为定子 ,其上部为转子 ,定子、转子间夹一层摩擦材料。摩擦材料一般粘接在转子表面上。利用电能激励压电陶瓷复合振子 ,使之产生超声振动 ,并在弹性体内产生行波。当电信号频率调整到与定子(弹性体) 的机械共振频率一致时 , 定子的振动幅度最大 , 并形成行波。在行波的弯曲传播过程中 ,定子表面的质点就会形成椭圆振动轨迹。当无数个这样的粒子都以同相位振动时 ,就会在定子表面形成力矩 ,力矩方向与行波传播方向相反。该力矩依靠定子、转子间的摩擦力驱动转子运动。转子的运动速度由定子表面质点的振幅和频率决定 ,振幅大则速度快; 另外 ,加大定子、转子间压力 ,增加其间的摩擦力 ,也会增大转子受到的力矩。图2为环形行波型USM的结构示意图。主要部件为定子和转子。定子有弹性环，压电陶瓷环和粘接在其上的带有凸齿的弹性金属环组成，弹性环由不锈钢、硬铝或铜等金属制成。凸齿的作用是放大定子表面振动的振幅，是=使转子获得较大的输出能量。压电陶瓷环采用的是施加交变电压后能够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机性能。粘接剂多用高温固化的环氧树脂胶。

图 2 环形行波型USM 的结构示意图

实现超声波驱动有两个前提条件：首先，需在定子表面激励出稳态的质点椭圆运动轨迹；其次，将定子表面质点水平方向的微观运动转换成转子的宏观运动或平动。第一个前提条件

对应着机电能量转换，利用逆压电效应由电能转化成机械振动能：第二个前提条件对应着运动形式转化，往往通过定转子间的摩擦力来实现，近年来亦有通过气体或液体为中间介质接触为非接触型超声波电机，也称为声悬浮超声波电机。从超声电机的工作原理可见，其正常工作离不开两个能量转换作用：机电转换作用和摩擦转换作用。机电转换作用是指压电陶瓷的逆压电效应，即对压电陶瓷振子加高频振荡电流，使它以超声波的频率振动。摩擦转换作用是指弹性体(定子与压电陶瓷的合称)的振动经过定子与转子工作面间的摩擦作用转化成转子的直线运动或旋转运动。要保证大力矩输出、止动性好，必须满足的条件就是有效足够的机电转换作用和有效稳定的摩擦转换作用。

2.超声波电机的发展现状

USM自从80年代初问世以来，就以新颖的工作原理，独特的性能特点吸引了许多人的注意。到目前为止，无论是理论研究还是应用开发，日本均处于世界领先水平。根据以发表的文章和有关资料，包括日本有关USM的专利申请的调查，可以大概了解到USM的应用研究情况。日本众多研究单位如东京大学、东京工业大学、山行大学、爱知大学等从事理论研究、新结构研究、控制芯片集成研究。东京工业大学研制了定、转子距离为0.05mm、转速为4400r/min的非接触式行波型超声波电动机。近10年来日本的超声波电动机已经进入了实用化商业应用阶段，众多国际大公司从事超声波电动机研发、应用、销售，如佳能公司、新生公司、本多公司等等。至今超声波电动机的种类已经数十种之多。

美国目前有众多从事超声波电动机研究的机构，主要有麻省理工大学、加州大学伯克利分校、密苏里大学、喷气推进器实验室等。超声波电动机在航天、军事及精密仪器等领域得到了广泛的应用。喷气推进器实验室研制了用超声波电动机作为驱动源的多功能自动爬行系统，麻省理工学院在行波型超声波电动机方面也获得很多的成果，同时与喷气推进器实验室合作开展了超声波电动机在太空环境中应用的研究。

3.超声波电动机的应用领域

超声波电动机具有独特的优点及良好的性能，及对超声波电动机理论及控制的研究不断深入，使超声波电动机得到了快速的发展，应用领域日益广泛。

超声波电机在高科技领域应用比较广泛，超声波电机的应用领域可概括如下：

1)航空航天领域:航空航天器往往处在高真空、极端温度、强辐射、无法有效润滑等恶劣条件中，且对系统重量要求严苛，超声马达是其中驱动器的最佳选择。

2)精密仪器仪表电磁马达用齿轮箱减速来增大力矩，由于存在齿轮间隙和回程误差，难以达到很高定位精度，而超声马达可直接实现驱动，且响应快、控制特性好，可用于精密仪器仪表。

3)机器人：用超声电动机作为机器人的关节驱动器，超声波电动机具有低速、大转矩和非连续工作中具有比电磁电机更为优越的性能，可将关节的固定部分和运动部分分别与超声马达的定、转子作为一体，使整个机构非常紧凑。日本开发出球型超声电动机，为多自由度机器人的驱动解决了诸多的难题。

4)微型机械技术中的微驱动器：微型电机作为微型机械的核心，是微型机械发展水平的重要标志。微电子机械系统(micro electronic mechanical systems，缩写MEMS)的制造研

发中，其电机多是毫米级的。医疗领域是微机械技术运用最具代表性的领域之一，超声电机在手术机器人和外科手术器械上已得到应用。

5)照相机、手机对焦：由于超声波电动机启动和制动速度比传统的对焦电机快，canon 公司将环形超声波电动机作为中高级镜头的对焦电机，超声波电动机在照相机中的到了广泛的应用。随着人们对手机的附加功能越来越多样化，以往手机拍照系统均采用数字变焦方式，使得图像清晰度降低，而光学变焦方式能很好地解决这个问题，韩国三星公司将长5mm、直径1.6mm的两个超声波电动机应用与手机拍照系统中，取得了很好的效果。

6)医疗器械：由于传统电磁式电机自身会产生磁场，从而对实时成像产生不良影响，并且传统电磁式电机在强磁场的环境中无法正常工作。超声波电动机具有自身不产生磁场，也不受磁场干扰的特性，非常适合用于核磁共振。

7)汽车阀门控制：由于超声波电动机具有自锁特性和响应快等特性，并且可以避免火花的产生，对于自动调节油门控制超声波电动机具有它独特的优点。

相比与电磁式电机，超声波电动机具有其独特的应用优势，由于超声波电动机还不是很普及，只是被一些有实力的高端企业应用。目前超声波电动机更多应用在高端，精密的产品等领域，在日常生活上使用的还是比较少，但是随着超声波电动机进一步研究和探索，超声波电动机的应用领域会进一步扩大。

4.超声波电动机的发展展望

1）超声波电功机目前主要存在的问題：

超声波电动机具有全新的结构,与原来传统的电磁型电机相比有着许多多独特的优点,但也存在着一些不足。

(l)效率较低、输出功率偏小。超声波电动机主要存在两个个能量消耗较大的两个过程:一是高频电能通过压电材料的逆压故应将电能转换成高频振动的机械能;二是定、转子之间存在摩擦。因此超声波电动机的效率一般较低,旋转型行波超声波电动机的效率一般在30%左右,输出不超过50 W。目前我国超声波电动机的效率一般只有 3% -l5%。

(2）使用寿命较短。由于传通能量方式是通过定子和转子之间通过摩擦来实现，必然会存在摩擦材料的磨损,高频机械振动的定子会导致超声波电动机整体结构或晶体材料的性能下降甚至损坏，在功率校大、温度的情况下尤为严重,因此超声波电动机不适合连续的、长时间的运行。长期运行时超声波电动机的性能会下降。

(3)驱动要高。为了激发出定子的机械共振, 还特别需要高频电源的驱动。对电源的频率、幅值、相位也有一定的要求.在超声温度有所变化时.超声波电动机的机械共振频率会发生変化。需要增加自动频率跟踪措施,以保证电机输出性能稳定，因此超声波电动机驱动控制较为复杂,对电力电子器件也提出一定的要求。

2）超声波电动机需要进一步研究的课题：

超声波电动机的出现为电机的多样性提供了一条新的的思路,但从理论、设计、控制技术还有许多的工作需要进一步研究。

(1)超声波电动机的效率是关系超声波电动机能不能广泛应用和发展前景的问題,可以从压电材料、摩擦材料、电机结构、能量转换方式等方面进行深入的研究。目前超声波电动机主要还是依靠定、转子之间的摩擦实现的,这种摩擦不同于常规下的摩擦,也是影响超声波电动机效率的关键因素,为此给摩擦理论、电机整体结构的优化带来了新挑战。

5.结语