超声波电机的工作原理_超声波电机应用领域

　　超声波电机的工作原理

　　与传统的电机不同，超声波电机无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。一般由振动体（相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成）和移动体（相当于传统电机中的转子，由弹性体和摩擦材料及塑料等制成）组成。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使定子在超声频段（频率为20KHZ以上）产生微观机械振动。并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动。

　　实现超声波驱动有两个前提条件：首先，需在定子表面激励出稳态的质点椭圆运动轨迹；其次，将定子表面质点水平方向的微观运动转换成转子的宏观运动或平动。第一个前提条件对应着机电能量转换，利用逆压电效应由电能转化成机械振动能：第二个前提条件对应着运动形式转化，往往通过定转子间的摩擦力来实现，近年来亦有通过气体或液体为中间介质接触为非接触型超声波电机，也称为声悬浮超声波电机。从超声电机的工作原理可见，其正常工作离不开两个能量转换作用：机电转换作用和摩擦转换作用。机电转换作用是指压电陶瓷的逆压电效应，即对压电陶瓷振子加高频振荡电流，使它以超声波的频率振动。摩擦转换作用是指弹性体（定子与压电陶瓷的合称）的振动经过定子与转子工作面间的摩擦作用转化成转子的直线运动或旋转运动。要保证大力矩输出、止动性好，必须满足的条件就是有效足够的机电转换作用和有效稳定的摩擦转换作用。

　　超声波电机特点

　　给超声波电机输入驱动电压后，压电材料产生压电现象，同时发生的纵向延伸和横向弯曲模式的激励在陶瓷指尖的狭小的椭圆通道里产生二维声波，从而产生驱动力进行直线或旋转运动。但没有驱动电压的时候能够维持一个保持力矩，不产生位移和滞后。

　　可用在从普通环境到超高真空环境的半导体设备、平面平台设备、光学纤维制动态元件制造、存储介质制造和测试设备、生物医药和制药、度量衡和超高精度的微型数控等设备中。

　　具有定位精确，分辨率可达1μm，精度10nm，运动速度平稳，低10μm/s，高250mm/s，标准应答时间为50～75μs，整定时间明显优于一般伺服电动机，以0.1μm的分辨率为例，只需1～2ms，为一般伺服电动机的1/10，定位后没有一般伺服电动机存在的晃动问题，而且超声波电机具有重量轻，体积小，行程无限制等特点。

　　超声波电机应用领域

　　超声波电机的应用领域可概括如下：

　　1）航空航天领域

　　航空航天器往往处在高真空、极端温度、强辐射、无法有效润滑等恶劣条件中，且对系统重量要求严苛，超声马达是其中驱动器的最佳选择。

　　2）精密仪器仪表电磁马达用齿轮箱减速来增大力矩，由于存在齿轮间隙和回程误差，难以达到很高定位精度，而超声马达可直接实现驱动，且响应快、控制特性好，可用于精密仪器仪表。

　　3）机器人的关节驱动

　　用超声电动机作为机器人的关节驱动器，可将关节的固定部分和运动部分分别与超声马达的定、转子作为一体，使整个机构非常紧凑。日本开发出球型超声电动机，为多自由度机器人的驱动解决了诸多的难题。

　　4）微型机械技术中的微驱动器

　　微型电机作为微型机械的核心，是微型机械发展水平的重要标志。微电子机械系统（micro electronic mechanical systems，缩写MEMS）的制造研发中，其电机多是毫米级的。医疗领域是微机械技术运用最具代表性的领域之一，超声电机在手术机器人和外科手术器械上已得到应用。

　　5）电磁干扰很强或不允许产生电磁干扰的场合

　　在核磁共振环境下和磁悬浮列车运行的条件下，电磁电机不能正常工作，超声马达却能胜任。