超声波电机介绍及其发展前景

河北科技师范学院欧美学院科研技能训练---综述学生：寇鹏学号：9310080215专业：电气工程及其自动化欧美学院机电科学与工程系2011年7月超声波电机介绍及其应用寇鹏（河北科技师范学院电气工程及其自动化专业）摘要：超声波电机与传统的电磁式电机不同，它是利用压电陶瓷的逆压电效应，将超声振动作为动力源的一种新型电机，它由振动部分和移动部分所组成，造振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动。

近二十年来，由于大功率压电陶瓷材料研究的突破，在全世界掀起了超声波电机研究的高潮，相继开发出多种型式的超声波电机。

关键词：超声波电机/特点/分类/应用/振动源的产生一、超声波电机的工作原理超声电机技术是振动学、波动学、摩擦学、动态设计、电力电子、自动控制、新材料和新工艺等学科结合的新技术。

超声电机不像传统的电机那样，利用电磁的交叉力来获得其运动和力矩。

超声电机则是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。

二、超声波电机的产生20 世纪90 年代日本佳能公司研制出一种压电电动机，这种电动机的工作原理是利用逆压电效应把电能转换成机械能。

常见的压电电机也是由定子和转子组成，但定子是由压电材料和金属材料组合制成，转子是由金属材料制成；压电材料把电能转换成机械振动能，激励定子金属体振动；转子与定子相接触，通过摩擦力，定子的振动驱动转子运动。

由于定子的振动频率一般在大于20kHz 的超声频段，因此人们也将压电电机称为超声电机。

三、超声波电机的特点（1）超声电机可以得到较低转速，因此输出力矩较大，可以省去减速机构直接带动负载。

（2）因为超声电机不使用电磁场作为驱动力，因此电磁辐射小。

许多情况下，不希望有电机产生强电磁干扰，或者在强磁场环境中，电磁电机的正常工作会受到影响，而超声电机不需要做太多的电磁屏蔽处理就可以在这些条件下工作。

（3）超声电机依靠定、转子之间的接触摩擦作为驱动方式，关闭电源后转子就会马上停止，并在摩擦力的作用下固定不动（4）超声电机的响应时间较短，一般在十几毫秒以内。

（5）超声电机没有电磁线圈，可以不用铜材，节省原料造价。

（6）超声电机的转速可以通过改变驱动频率进行调节，比较灵活。

（7）超声电机在很小尺寸上都可以有效工作。

四、超声电机的分类（1）环形行波超声波电机。

在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的振动来传递能量，属连续驱动方式，其基础理论和应用技术均较成熟。

（2）小型柱体摇摆型超声波电机目前行波型超声波电机已有较成熟的设计方法，但该型电机在小直径（小于20mm）条件下，输出性能逐渐失去低速大扭矩的特点，而且由于其结构的限制，效率也很难提高。

而柱体摇摆型超声波电机采用兰杰文振子结构，机械效率高。

进一步设计可实现多个不同模态之间的耦合、叠加，从而形成三自由度椭圆运动，实现一个定子驱动多自由度的运动。

摇摆型超声波电机是靠圆柱定子端部的摇头振动并通过摩擦来驱动转子，所以定子的直径越小，摇头振动的幅值越大，小型化（一般直径小于20mn）能更加显示出这种电机的优越性。

由于该电机采用兰杰文结构，压电陶瓷不需粘接，其装配工艺容易实现自动化。

所以这种电机特别适宜对电机的重量、体积、性能等方面有特殊要求的应用场合，如精密光学仪器、导弹导引头的跟随控制装置。

摇摆型超声波电机的这些特点近年来在超声波电机领域备受关注。

因此该型超声波电机的研究将改变超声波电机工作及运行机理，拓展开发新型超声波电机的思路。

（3）步进超声波电机随着超声波电机技术的日趋完善，应用领域越来越多。

但在超声波电机角位移控制系统中，必须引入传感器来进行反馈，形成闭环控制系统，这样使电机结构变得复杂。

自校正超声波电机能在一定角度内，自行修正其角位移累积误差，从而省略了传感器以及与传感器相匹配的闭环时序电路，达到简化结构和保障精度的目的。

因此，对步进超声波电机的研究具有重要的学术价值，在精密控制等领域具有广泛的应用前景。

（4）三自由度球形超声波电机目前，对于传统的驱动电机而言，要实现多自由度运动，一般是对每一个自由度都提供一个电机，通过对多个单自由度电机作复杂的机械连接来实现，而且提供电机数与所要求的自由度数必须相等。

因此这个系统往往结构复杂、笨重。

动静态刚度低、造价昂贵，齿轮变速机构中存在着间隙、摩擦、弹性变形，很难保证有高的运动精度和定位精度，往往不能满足机器人向高速、高精度、大承载和轻量化发展的要求。

多自由度球形压电超声波电机不仅具备了超声波电机一系列的优点，而且具有诱人的应用前景，它可用于机器人的关节部位，也可用于摄像的监视器，这样可以使摄像机像人类眼球那样把周围各个角度的画面尽收眼底。

利用单个圆柱形结构做成压电超声波电机的定子，通过对定子的振型设计和压电陶瓷的极化与配置的设计，并通过驱动控制电路使定子表面质点产生三自由度椭圆运动，从而实现球形转子的三自由度旋转，可以从根本上缩小球形电机的体积，突显超声波电机结构紧凑低速大扭矩可直接驱动负载和定位精度高的优点。

同时，由于定子表面质点产生三自由度椭圆运动，因而这种柱行振子也可直接改装成多自由度的直线超声波电机，并将开拓超声波电机研究新领域五、超声电机的应用（1）光学机器。

超声波电机在照相机、摄像机、显微镜等光学仪器的聚焦系统中作为驱动原件，能获得很满意的效果。

接触式USM具有低速大转矩的特点，在许多应用场合中可免去减速装置直接驱动。

最典型的应用于照相机的自动焦距镜头中，与采用传统电机镜头相比，具有安静、无电磁噪声；定位精度高；调焦时间短；无齿轮减速、机构简单等优点。

光学显微镜，自动焦距，显微定位，微纳米计算尺，LCD等显示平板的生产测试检查，晶片检查定位，消除振动系统，天文观测仪器，自适应光学系统，微型扫描仪，基因处理，微型手术，光学镜面调整等都应用了超声波电机。

（2）汽车。

超声波电机用于汽车车窗的驱动装置中，可使它体积扁小、低速时具有大转矩的优点发挥得淋漓尽致。

它还可用于磁悬浮列车上，为使列车悬浮与轨道上，使通过超导电流产生强磁场，需要大力矩和控制性能良好的驱动器，这对于USM来说是最适合的。

(3)航天中的运用电机在低温和真空条件下的运行特性对航空航天的发展是极为重要的。

超声波电机具有的结构简单、重量轻、不受磁场干扰、真空下无需润滑油的优点，是电磁电机在航空航天领域所不具有的。

超声波电机以其高转矩重量比、快速响应、高精度和断电自锁等特点、将在航天航空等军工领域中受到愈来愈大的重视。

(4)工业机床中的应用由于超声波电机结构刚度大、定位精度高，它可用于工具驱动与控制装置以及工件的定点传输。

如机床的精密进给机构、刀具的磨损调度装置、微细电火花机的加工装置、工件准确定位与装夹、缩紧装置及夹具的快速调整。

(5)医疗与生物学领域中的应用生物材料微型操作器、计量设备、微型喷嘴、冲击发生器、肾结石破碎治疗机、气管超声扫描器。

许多科学仪器，医疗器械会产生强磁场或者对电磁场干扰具有严格的要求，而超声波电机能避免这些问题，所以可以用于核磁共振环境下设备的驱动。

(6)民用产品的应用。

首先由于超声电机的安静、体积小等优点，可用于压缩机的使用上，在家电领域具有广泛的用途；传统的电机驱动由于在中间环节，不可避免的存在累计误差，而超声波电机控制性能好，体积小，可用于精密控制，如电子手表；同时利用其控制精度高的特点，可用于IC、LSI等数控机器，印刷线路板加工、检测，晶片遇见排列、焊接、封装，半导体片等精密冲载。

环状压电机可用于楼宇窗帘的自动开闭。

六、超声波电机的振动源的产生超声电机需要有振动源，一般采用压电陶瓷，把电能转换成机械能。

压电材料有一个极化方向。

如果在压电材料的极化方向上加电压时，当电场方向与极化方向一致或相反时，压电材料会在极化方向上发生伸长或缩短变形；如果在垂直于极化方向上加电压，就会产生剪切变形。

当电压方向交替变化时，就会产生交变的机械变形，即发生机械振动。

振动的频率是和交流电的频率一致的。

电机的机械振动频率在超声频段，因此超声电机需要一个超声频段的交流电源。

适当设计定子的结构就可以得到需要的振动形式。

要在环形行波超声电机的圆环表面上产生行波，可以把压电陶瓷片与金属圆环粘在一起；压电陶瓷片是在厚度方向上进行极化，两面上涂有银电极，沿着周向上分成许多对电极；当在厚度方向上加电压时，压电片在厚度上发生变形，同时根据弹性原理，在周向上也会发生变形。

每对电极上加交变电压，使陶瓷片在周向上交变伸长和缩短。

因为金属环和陶瓷片粘接在一起，因此金属环也交替发生伸长和缩短变形。

如果电压交变频率与定子的振动模态频率一致，就会激励出相应模态的驻波振动。

我们知道两个驻波可以形成一个行波，cos(kx)cos(ωt)+sin(kx)sin(ωt)=cos(kx−ωt)。

如果让相邻两对电极在空间和时间相位上都相差π/2，就可以激励出行波。

于此相类似，螺母型超声电机是在螺母型定子外壁粘上压电陶瓷片，每一个压电片上按适当的时序加电后，可以在螺母内壁产生行波。

佳能相机中的棒式超声电机的定子是两个金属圆环中间夹着压电陶瓷圆环组成，环的中心穿有螺栓把它们联在一起。

压电环沿着周向分成4 对电极。

加在相邻两个对电极上的电信号相差1/4 周期，这样，在一个方向上，相对的两对电极上的电压相差1/2 周期，在另外一个垂直方向上，相对的两对电极上的电压为零。

在y 方向上对称的两对电极上加的电压相位相差1/2周期，一侧产生压缩变形，另一侧就产生伸长变形，整个定子柱就会向负y 方向发生弯曲，而在x 方向上没有发生变形。

在1/4 周期时间后，y 方向上处于平衡位置，定子柱向正x 方向弯曲。

顺序改变电信号，可以使弯曲的方向依次变化，产生旋转的效果。

扭纵超声电机也是棒式电机。

它的定子是由两个金属圆环中间夹着两组压电陶瓷圆环组成，见图5。

一组压电环沿着厚度方向极化，用于产生轴线的纵振；另一组压电环沿着圆周方向极化，当在厚度方向上加电压时会产生剪切变形，用于产生扭转振动。

两组压电陶瓷片上加的电压的频率相同，但有一个相位差。

或用振动模态转换型。

这类超声电机的振动源比较简单，一般只有单一的振动源，复杂的振动形式是靠结构来实现的。

例如，在一个纵振棒的端部有特殊形状的多个齿，振动激励这些齿做复杂的运动，齿上压着的转子就会通过摩擦力产生转动。

七、结论超声电机研究进展、前沿和方向超声电机的研究涉及超声学，压电学，摩擦学和电子学等多学科，非常复杂。

这也是为什么超声电机从提出想法到实用花费了近50 年时间的原因之一。

超声学中的主要问题是如何产生简单有效的振动；另外，在大力矩超声电机中如何考虑转子对振动体的影响也是一个难题。

压电学中的一个重要研究内容就是如何得到无铅的压电材料。