超声波电机介绍及其应用

超声波电机介绍及其应用

一、超声波电机的工作原理

超声学科结合的新技术。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