超聲電機傳統(tǒng)比較

超聲電機與傳統(tǒng)電機相比，具有結構簡單、小型輕量、響應速度快，噪聲低、低速大轉矩、控制特點好、斷電自鎖、不受磁場干擾，運動準確等優(yōu)點，另外還具有耐低溫、真空等適應太空環(huán)境的特點。首先由于質量輕，低速且大轉矩從而不需要附加齒輪等變速結構，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)電機的概念，沒有電磁繞組和磁路，不用電磁相互作用來轉換能力，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應、超聲振動和摩擦耦合來轉換能量。從而實現(xiàn)了安靜、污染??；定位精度高；不受電磁干擾等優(yōu)點?？梢哉f超聲電機技術處于世界上最新高科技之一。

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

（1）光學機器

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

光學顯微鏡，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，自適應光學系統(tǒng)，微型掃描儀，基因處理，微型手術，光學鏡面調整等都應用了超聲波電機。

（2）汽車

超聲波電機用于汽車車窗的驅動裝置中，可使它體積扁小、低速時具有大轉矩的優(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電流產(chǎn)生強磁場，需要大力矩和控制性能良好的驅動器，這對于USM來說是最適合的。

(3)航天中的運用

電機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。超聲波電機具有的結構簡單、重量輕、不受磁場干擾、真空下無需潤滑油的優(yōu)點，是電磁電機在航空航天領域所不具有的。1995年末，美國航空航天局噴氣推進實驗室首次將直線超聲波電機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械臂上，采用超聲波電機取代有刷直流電機后，Mars ArmⅡ結構雖與Mars ArmⅠ相似，但重量減輕了40%，其主要原因是用超聲波電機能直接驅動，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)在使用超聲波電機前后的尺寸縮小了4倍。利用其驅動方式靈活的特點，日本宇宙研究所研制了兩種直線超聲波電機用于空間伸展結構的伸展和收縮。利用超聲波電機的響應快等特點，美國和法國用于導彈的測控系統(tǒng)；利用結構簡單可微型化的特點，日本研制微型超聲波電機用于微衛(wèi)星等領域。此外，日本和美國等國家正在進行超聲波電機的各種研究，用于航天等軍事領域。由此可見，超聲波電機以其高轉矩重量比、快速響應、高精度和斷電自鎖等特點、將在航天航空等軍工領域中受到愈來愈大的重視。

(4)工業(yè)機床中的應用

由于超聲波電機結構剛度大、定位精度高，它可用于工具驅動與控制裝置以及工件的定點傳輸。如機床的精密進給機構、刀具的磨損調度裝置、微細電火花機的加工裝置、工件準確定位與裝夾、縮緊裝置及夾具的快速調整。

(5)醫(yī)療與生物學領域中的應用

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

(6)民用產(chǎn)品的應用

首先由于超聲電機的安靜、體積小等優(yōu)點，可用于壓縮機的使用上，在家電領域具有廣泛的用途；傳統(tǒng)的電機驅動由于在中間環(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)控機器，印刷線路板加工、檢測，晶片遇見排列、焊接、封裝，半導體片等精密沖載。環(huán)狀壓電機可用于樓宇窗簾的自動開閉。

專家預言：21世紀將是超聲電機大放光芒的時代，超聲波電動機可廣泛應用于OA、FA、照相機、攝像機、工業(yè)機器人、汽車、家用電器等需要直接驅動的機構中，它將有可能部分取代微型電機。自1960年前蘇聯(lián)一位科學家提出超聲波電動機的設想以來，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)公司都在進行開發(fā)工作，并達到了商品化開發(fā)程度。

可以預計：在21世紀，為了發(fā)展我國人造衛(wèi)星、導彈、火箭、飛機、機器人、微型機械、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。超聲電機技術的發(fā)展，必將對我國國防和其他國民經(jīng)濟各部門起著重大作用，例如：

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

● 機器人和微型機械，也是我國21世紀重點發(fā)展的領域之一。超聲電機可以使機器人和微型機械簡化結構，減輕重量，增強其可控性。隨著超聲電機的微型化，微型機械可進入人體，如作為人造心臟的驅動器，它將會大大推動人造器官的產(chǎn)業(yè)化進程；

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

● 未來豪華轎車上的電機之多可達80個，使汽車體積增加，電磁干擾增強。應用超聲電機，由于不需齒輪箱從而大大降低其體積；由于超聲電機不產(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，均可用超聲電機來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁電機；

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

● 超聲電機的位置定位精度很高，直線分辨率可達納米級，旋轉分辨率可達角秒級。超聲電機將會在一些精密儀器、醫(yī)療設備以及半導體制造技術中得到廣泛應用。

● 超聲電機的響應速度快，達到ms級。往復響應頻率能夠達到1KHz / ° 以上。再結合角秒級的角分辨率，能夠在航空航天等高科技領域，用來實現(xiàn)快速掃描、凝視和多目標定位、動態(tài)開度控制等等。

超聲電機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。80年代，日本許多科學工作者致力將美國和蘇聯(lián)的原理性樣機開發(fā)成使用的超聲電機，并于90年代初投入到商業(yè)應用。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。

傳統(tǒng)行波超聲電機的低速平滑性能尚不能滿足特定領域對于1rpm以下轉速超聲電機的需要。結合諧波傳動理論與超聲電機理論，申請者提出研究1rpm以下轉速壓電諧波電機。首先研究行波超聲電機速度穩(wěn)定性的影響因素；其次，建立考慮摩擦副粗糙度時定、轉子間接觸模型，研究摩擦副粗糙度、定轉子間摩擦磨損對超聲電機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，研究諧波傳動與超聲電機間的結構匹配及諧波傳動對電機速度平滑性的影響；最后，進行壓電諧波電機樣機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)境對低速超聲電機的迫切需要，又開拓了壓電電機設計的新思路，具有重要的研究價值。

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

英文：ultrasonic motor

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

與傳統(tǒng)電機相比，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)直接驅動；可實現(xiàn)精確定位；容易制成直線移動型馬達；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?？刂菩院谩３曤姍C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的力矩比靜電微電機高3-4個量級：比電磁微電機高1．2個量級且輸出轉速也比其它類型的微電機低。超聲電機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的定、轉子間依靠摩擦力實現(xiàn)轉子的驅動。由于以上特點，與超聲電機相連接的系統(tǒng)無須齒輪減速機構和制動機構，簡化了應用系統(tǒng)的結構。超聲波電機有著誘人的應用前景，成為研究的一大熱點。具體地說，有以下幾方面：信息機器、光學儀器、微機器人、醫(yī)療機器、探測系統(tǒng)、精密加工等。超聲電機的發(fā)展趨勢是：大力矩、小尺寸、高效率、長壽命。