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1、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(UltrasonicMotor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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
