超聲電機(jī)

超聲電機(jī)作為一種新型的微電機(jī)，在轎車電器、辦公自動化設(shè)備、精密儀器儀表、計算機(jī)、工業(yè)控制系統(tǒng)航空航天、智能機(jī)器人等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)超聲波電機(jī)的研究成果，國外已經(jīng)成功應(yīng)用于照相機(jī)的自動焦距裝置、傳送裝置、自動升降裝置、精密繪圖儀、微機(jī)械驅(qū)動器等領(lǐng)域。

（1）光學(xué)機(jī)器

超聲波電機(jī)在照相機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡等光學(xué)儀器的聚焦系統(tǒng)中作為驅(qū)動原件，能獲得很滿意的效果。接觸式USM具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點，在許多應(yīng)用場合中可免去減速裝置直接驅(qū)動。最典型的應(yīng)用于照相機(jī)的自動焦距鏡頭中，與采用傳統(tǒng)電機(jī)鏡頭相比，具有安靜、無電磁噪聲；定位精度高；調(diào)焦時間短；無齒輪減速、機(jī)構(gòu)簡單等優(yōu)點。

光學(xué)顯微鏡，自動焦距，顯微定位，微納米計算尺，LCD等顯示平板的生產(chǎn)測試檢查，晶片檢查定位，消除振動系統(tǒng)，天文觀測儀器，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，微型掃描儀，基因處理，微型手術(shù)，光學(xué)鏡面調(diào)整等都應(yīng)用了超聲波電機(jī)。

（2）汽車

超聲波電機(jī)用于汽車車窗的驅(qū)動裝置中，可使它體積扁小、低速時具有大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點發(fā)揮得淋漓盡致。它還可用于磁懸浮列車上，為使列車懸浮于軌道上，使通過軌道上線圈的超導(dǎo)電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場，需要大力矩和控制性能良好的驅(qū)動器，這對于USM來說是最適合的。

(3)航天中的運用

電機(jī)在低溫和真空條件下的運行特性對航空航天的發(fā)展是極為重要的。超聲波電機(jī)具有的結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、不受磁場干擾、真空下無需潤滑油的優(yōu)點，是電磁電機(jī)在航空航天領(lǐng)域所不具有的。1995年末，美國航空航天局噴氣推進(jìn)實驗室首次將直線超聲波電機(jī)用于多功能爬行系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于航天飛船外艙壁的檢查，其承載重量與自重比達(dá)10：1。利用其低速大力矩和高精度等特點，NASA將其用于火星探測器的輕量機(jī)械臂上，采用超聲波電機(jī)取代有刷直流電機(jī)后，Mars ArmⅡ結(jié)構(gòu)雖與Mars ArmⅠ相似，但重量減輕了40%，其主要原因是用超聲波電機(jī)能直接驅(qū)動，另外還可大大縮小工作空間，如NASA的Calileo航天器上的濾波齒輪(Filter wheel)在使用超聲波電機(jī)前后的尺寸縮小了4倍。利用其驅(qū)動方式靈活的特點，日本宇宙研究所研制了兩種直線超聲波電機(jī)用于空間伸展結(jié)構(gòu)的伸展和收縮。利用超聲波電機(jī)的響應(yīng)快等特點，美國和法國用于導(dǎo)彈的測控系統(tǒng)；利用結(jié)構(gòu)簡單可微型化的特點，日本研制微型超聲波電機(jī)用于微衛(wèi)星等領(lǐng)域。此外，日本和美國等國家正在進(jìn)行超聲波電機(jī)的各種研究，用于航天等軍事領(lǐng)域。由此可見，超聲波電機(jī)以其高轉(zhuǎn)矩重量比、快速響應(yīng)、高精度和斷電自鎖等特點、將在航天航空等軍工領(lǐng)域中受到愈來愈大的重視。

(4)工業(yè)機(jī)床中的應(yīng)用

由于超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)剛度大、定位精度高，它可用于工具驅(qū)動與控制裝置以及工件的定點傳輸。如機(jī)床的精密進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀具的磨損調(diào)度裝置、微細(xì)電火花機(jī)的加工裝置、工件準(zhǔn)確定位與裝夾、縮緊裝置及夾具的快速調(diào)整。

(5)醫(yī)療與生物學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

生物材料微型操作器、計量設(shè)備、微型噴嘴、沖擊發(fā)生器、腎結(jié)石破碎治療機(jī)、氣管超聲掃描器。許多科學(xué)儀器，醫(yī)療器械會產(chǎn)生強(qiáng)磁場或者對電磁場干擾具有嚴(yán)格的要求，而超聲波電機(jī)能避免這些問題，所以可以用于核磁共振環(huán)境下設(shè)備的驅(qū)動。

(6)民用產(chǎn)品的應(yīng)用

首先由于超聲電機(jī)的安靜、體積小等優(yōu)點，可用于壓縮機(jī)的使用上，在家電領(lǐng)域具有廣泛的用途；傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動由于在中間環(huán)節(jié)，不可避免的存在累計誤差，而超聲波電機(jī)控制性能好，體積小，可用于精密控制，如電子手表；同時利用其控制精度高的特點，可用于IC、LSI等數(shù)控機(jī)器，印刷線路板加工、檢測，晶片遇見排列、焊接、封裝，半導(dǎo)體片等精密沖載。環(huán)狀壓電機(jī)可用于樓宇窗簾的自動開閉。

超聲電機(jī)的雛形最早由前蘇聯(lián)在60年代初提出。1973年，美國IBM公司的H.V Barth博士、前蘇聯(lián)的V.H.Lavrinenko等人研制出原理性的超聲電機(jī)。80年代，日本許多科學(xué)工作者致力將美國和蘇聯(lián)的原理性樣機(jī)開發(fā)成使用的超聲電機(jī)，并于90年代初投入到商業(yè)應(yīng)用。至今，日本、美國、俄羅斯、德國競相研制各種類型和用途的超聲電機(jī)。

超聲電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、小型輕量、響應(yīng)速度快，噪聲低、低速大轉(zhuǎn)矩、控制特點好、斷電自鎖、不受磁場干擾，運動準(zhǔn)確等優(yōu)點，另外還具有耐低溫、真空等適應(yīng)太空環(huán)境的特點。首先由于質(zhì)量輕，低速且大轉(zhuǎn)矩從而不需要附加齒輪等變速結(jié)構(gòu)，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的震動、沖擊與噪聲、低效率、難控制等一系列問題；其次它突破了傳統(tǒng)電機(jī)的概念，沒有電磁繞組和磁路，不用電磁相互作用來轉(zhuǎn)換能力，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)、超聲振動和摩擦耦合來轉(zhuǎn)換能量。從而實現(xiàn)了安靜、污染小；定位精度高；不受電磁干擾等優(yōu)點?？梢哉f超聲電機(jī)技術(shù)處于世界上最新高科技之一。

專家預(yù)言：21世紀(jì)將是超聲電機(jī)大放光芒的時代，超聲波電動機(jī)可廣泛應(yīng)用于OA、FA、照相機(jī)、攝像機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、汽車、家用電器等需要直接驅(qū)動的機(jī)構(gòu)中，它將有可能部分取代微型電機(jī)。自1960年前蘇聯(lián)一位科學(xué)家提出超聲波電動機(jī)的設(shè)想以來，前西德西門子公司、AEG公司、日本松下電器工業(yè)公司、日立萬勝公司、新生工業(yè)公司都在進(jìn)行開發(fā)工作，并達(dá)到了商品化開發(fā)程度。

可以預(yù)計：在21世紀(jì)，為了發(fā)展我國人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)、機(jī)器人、微型機(jī)械、汽車、磁浮列車以及其他精密儀器，將需要大量的、高性能的超聲電機(jī)。超聲電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，必將對我國國防和其他國民經(jīng)濟(jì)各部門起著重大作用，例如：

● 21世紀(jì)，航空航天是我國重點發(fā)展的領(lǐng)域之一。從國外的應(yīng)用的情況看，它必將應(yīng)用超聲電機(jī)。如納米衛(wèi)星、微型飛機(jī)、宇宙飛船和空間探測器等，應(yīng)用超聲電機(jī)，可以減少其重量，增強(qiáng)其可控性；

● 機(jī)器人和微型機(jī)械，也是我國21世紀(jì)重點發(fā)展的領(lǐng)域之一。超聲電機(jī)可以使機(jī)器人和微型機(jī)械簡化結(jié)構(gòu)，減輕重量，增強(qiáng)其可控性。隨著超聲電機(jī)的微型化，微型機(jī)械可進(jìn)入人體，如作為人造心臟的驅(qū)動器，它將會大大推動人造器官的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程；

● 21世紀(jì)，我國將要大力發(fā)展磁浮列車。磁浮列車上的強(qiáng)磁場干擾，使得在磁浮列車上的傳統(tǒng)的電磁電機(jī)工作失效，超聲電機(jī)將大有可為；

● 未來豪華轎車上的電機(jī)之多可達(dá)80個，使汽車體積增加，電磁干擾增強(qiáng)。應(yīng)用超聲電機(jī)，由于不需齒輪箱從而大大降低其體積；由于超聲電機(jī)不產(chǎn)生磁場而使汽車的電磁兼容性得到大大改善。汽車上的中央門鎖、門窗玻璃的升降，前視鏡和雨刮器等，均可用超聲電機(jī)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁電機(jī)；

● 隨著掌上計算機(jī)，可視電話電視、手提式儀器等的發(fā)展，微型超聲電機(jī)將可得到廣泛應(yīng)用。超聲電機(jī)將使這些微型儀器降低重量和體積，減少其能量損耗；

● 超聲電機(jī)的位置定位精度很高，直線分辨率可達(dá)納米級，旋轉(zhuǎn)分辨率可達(dá)角秒級。超聲電機(jī)將會在一些精密儀器、醫(yī)療設(shè)備以及半導(dǎo)體制造技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

● 超聲電機(jī)的響應(yīng)速度快，達(dá)到ms級。往復(fù)響應(yīng)頻率能夠達(dá)到1KHz / ° 以上。再結(jié)合角秒級的角分辨率，能夠在航空航天等高科技領(lǐng)域，用來實現(xiàn)快速掃描、凝視和多目標(biāo)定位、動態(tài)開度控制等等。

傳統(tǒng)行波超聲電機(jī)的低速平滑性能尚不能滿足特定領(lǐng)域?qū)τ?rpm以下轉(zhuǎn)速超聲電機(jī)的需要。結(jié)合諧波傳動理論與超聲電機(jī)理論，申請者提出研究1rpm以下轉(zhuǎn)速壓電諧波電機(jī)。首先研究行波超聲電機(jī)速度穩(wěn)定性的影響因素；其次，建立考慮摩擦副粗糙度時定、轉(zhuǎn)子間接觸模型，研究摩擦副粗糙度、定轉(zhuǎn)子間摩擦磨損對超聲電機(jī)輸出性能及速度平滑性影響，并尋找合適的摩擦材料；再次，為弱化摩擦副粗糙度對振子振幅和振動頻率的影響，提出基于諧波摩擦減速的壓電諧波電機(jī)，研究諧波傳動與超聲電機(jī)間的結(jié)構(gòu)匹配及諧波傳動對電機(jī)速度平滑性的影響；最后，進(jìn)行壓電諧波電機(jī)樣機(jī)的輸出特性及速度平滑性實驗，對比在增加諧波減速環(huán)節(jié)前后速度的平滑性，并建立低速壓電諧波電機(jī)速度平滑性理論。本課題的研究既滿足了特定環(huán)境對低速超聲電機(jī)的迫切需要，又開拓了壓電電機(jī)設(shè)計的新思路，具有重要的研究價值。

本書是有關(guān)超聲波電機(jī)原理與設(shè)計的專著，是以東南大學(xué)“超聲波電機(jī)及其控制技術(shù)研究”課題組近十多年來科學(xué)研究工作為基礎(chǔ)編著而成。介紹了超聲電機(jī)的理論基礎(chǔ)、運行機(jī)理和動力學(xué)模型，并對行波超聲電機(jī)的定轉(zhuǎn)子以及摩擦界面的設(shè)計理論與方法以及性能分析模型、驅(qū)動控制系統(tǒng)、樣機(jī)制造和測試等各個方面作了詳細(xì)的介紹。

英文：ultrasonic motor

由于激振元件為壓電陶瓷，所以也稱為壓電馬達(dá)。80年代中期發(fā)展起來的超聲波電機(jī)(Ultrasonic motor，USM)是基于功能陶瓷的超聲波頻率的振動實現(xiàn)驅(qū)動的新型驅(qū)動器。超聲電機(jī)是一個典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，由電機(jī)本體和控制驅(qū)動電路兩部分組成。產(chǎn)品涉及到振動學(xué)、波動學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)、電子科學(xué)、計算技術(shù)和實驗技術(shù)等多個領(lǐng)域。超聲波電動機(jī)打破了由電磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的傳統(tǒng)電機(jī)的概念。

與傳統(tǒng)電機(jī)相比，它具有以下特點與優(yōu)點：低速大力矩輸出；功率密度高；起?？刂菩院?；可實現(xiàn)直接驅(qū)動；可實現(xiàn)精確定位；容易制成直線移動型馬達(dá)；噪音?。簾o電磁干擾亦不受電磁干擾；需使用耐磨材料(接觸型USM)和高頻電源等。但它也有自己的缺點，如：功率??；壽命短等。

超聲電機(jī)的兩個顯著特點是：1)低速大力矩輸出：2)保持力矩大，宏觀表現(xiàn)為起?？刂菩院?。超聲電機(jī)能大力矩輸出是因為激振元件采用大功率密度的壓電陶瓷材料。同尺寸的超聲微電機(jī)的力矩比靜電微電機(jī)高3-4個量級：比電磁微電機(jī)高1．2個量級且輸出轉(zhuǎn)速也比其它類型的微電機(jī)低。超聲電機(jī)的保持力矩至少是最大輸出力矩的2倍多，具有大的保持力矩是因為電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子間依靠摩擦力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動。由于以上特點，與超聲電機(jī)相連接的系統(tǒng)無須齒輪減速機(jī)構(gòu)和制動機(jī)構(gòu)，簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。超聲波電機(jī)有著誘人的應(yīng)用前景，成為研究的一大熱點。具體地說，有以下幾方面：信息機(jī)器、光學(xué)儀器、微機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器、探測系統(tǒng)、精密加工等。超聲電機(jī)的發(fā)展趨勢是：大力矩、小尺寸、高效率、長壽命。