超声电机

新工艺等学科结合的新技术

超声电机（Ultrasonic Motor或简写为USM）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。在这种新型电机中，压电陶瓷材料盘代替了许许多多的铜线圈。

历史现状

超声电机的雏形最早由前苏联在60年代初提出。1973年，美国IBM公司的H.V Barth博士、前苏联的V.H.Lavrinenko等人研制出原理性的超声电机。80年代，日本许多科学工作者致力将美国和苏联的原理性样机开发成使用的超声电机，并于90年代初投入到商业应用。至今，日本、美国、俄罗斯、德国竞相研制各种类型和用途的超声电机。

传统比较

超声电机与传统电机相比，具有结构简单、小型轻量、响应速度快，噪声低、低速大转矩、控制特点好、断电自锁、不受磁场干扰，运动准确等优点，另外还具有耐低温、真空等适应太空环境的特点。首先由于质量轻，低速且大转矩从而不需要附加齿轮等变速结构，避免了使用齿轮变速而产生的震动、冲击与噪声、低效率、难控制等一系列问题；其次它突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不用电磁相互作用来转换能力，而是利用压电陶瓷的逆压电效应、超声振动和摩擦耦合来转换能量。从而实现了安静、污染小；定位精度高；不受电磁干扰等优点。可以说超声电机技术处于世界上最新高科技之一。

应用

超声电机作为一种新型的微电机，在轿车电器、办公自动化设备、精密仪器仪表、计算机、工业控制系统航空航天、智能机器人等领域都有着广泛的应用前景。根据超声波电机的研究成果，国外已经成功应用于照相机的自动焦距装置、传送装置、自动升降装置、精密绘图仪、微机械驱动器等领域。

（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，为使列车悬浮于轨道上，使通过轨道上线圈的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。1995年末，美国航空航天局喷气推进实验室首次将直线超声波电机用于多功能爬行系统，该系统用于航天飞船外舱壁的检查，其承载重量与自重比达10：1。利用其低速大力矩和高精度等特点，NASA将其用于火星探测器的轻量机械臂上，采用超声波电机取代有刷直流电机后，Mars ArmⅡ结构虽与Mars ArmⅠ相似，但重量减轻了40%，其主要原因是用超声波电机能直接驱动，另外还可大大缩小工作空间，如NASA的Calileo航天器上的滤波齿轮(Filter wheel)在使用超声波电机前后的尺寸缩小了4倍。利用其驱动方式灵活的特点，日本宇宙研究所研制了两种直线超声波电机用于空间伸展结构的伸展和收缩。利用超声波电机的响应快等特点，美国和法国用于导弹的测控系统；利用结构简单可微型化的特点，日本研制微型超声波电机用于微卫星等领域。此外，日本和美国等国家正在进行超声波电机的各种研究，用于航天等军事领域。由此可见，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。

应用前景

专家预言：21世纪将是超声电机大放光芒的时代，超声波电动机可广泛应用于OA、FA、照相机、摄像机、工业机器人、汽车、家用电器等需要直接驱动的机构中，它将有可能部分取代微型电机。自1960年前苏联一位科学家提出超声波电动机的设想以来，前西德西门子公司、AEG公司、日本松下电器工业公司、日立万胜公司、新生工业公司都在进行开发工作，并达到了商品化开发程度。

可以预计：在21世纪，为了发展我国人造卫星、导弹、火箭、飞机、机器人、微型机械、汽车、磁浮列车以及其他精密仪器，将需要大量的、高性能的超声电机。超声电机技术的发展，必将对我国国防和其他国民经济各部门起着重大作用，例如：

● 21世纪，航空航天是我国重点发展的领域之一。从国外的应用的情况看，它必将应用超声电机。如纳米卫星、微型飞机、宇宙飞船和空间探测器等，应用超声电机，可以减少其重量，增强其可控性；

● 机器人和微型机械，也是我国21世纪重点发展的领域之一。超声电机可以使机器人和微型机械简化结构，减轻重量，增强其可控性。随着超声电机的微型化，微型机械可进入人体，如作为人造心脏的驱动器，它将会大大推动人造器官的产业化进程；

● 21世纪，我国将要大力发展磁浮列车。磁浮列车上的强磁场干扰，使得在磁浮列车上的传统的电磁电机工作失效，超声电机将大有可为；

● 未来豪华轿车上的电机之多可达80个，使汽车体积增加，电磁干扰增强。应用超声电机，由于不需齿轮箱从而大大降低其体积；由于超声电机不产生磁场而使汽车的电磁兼容性得到大大改善。汽车上的中央门锁、门窗玻璃的升降，前视镜和雨刮器等，均可用超声电机来代替传统的电磁电机；

● 随着掌上计算机，可视电话电视、手提式仪器等的发展，微型超声电机将可得到广泛应用。超声电机将使这些微型仪器降低重量和体积，减少其能量损耗；

● 超声电机的位置定位精度很高，直线分辨率可达纳米级，旋转分辨率可达角秒级。超声电机将会在一些精密仪器、医疗设备以及半导体制造技术中得到广泛应用。

● 超声电机的响应速度快，达到ms级。往复响应频率能够达到1KHz / ° 以上。再结合角秒级的角分辨率，能够在航空航天等高科技领域，用来实现快速扫描、凝视和多目标定位、动态开度控制等等。

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