超声波电机易磨损/控制难，为什么是微型电机应用中的热门

电子发烧友网报道（文/李宁远）微型电机方面的研究现在热度很高，如何在小体积下做到快速地响应、足够大的转矩是行业很关注的方向。这一方向上，超声波电机成为国内外在微型电机方面的研究热点。
 
我们熟悉的电机，绝大多数都是以电磁原理为基础，而超声波电机完全是另一条技术路线。在技术的发展与迭代下，超声波电机展现出了低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，迅速在微型电机领域展开应用。
 
基于逆压电特性的超声波电机
 
超声波电机不是说直接利用超声波来做功的电机，超声波电机实际上是先把电能变成高频机械振动，然后通过高频振动和摩擦来带动做功。这个高频振动频率在超声波频率里，所以称为超声波电机。
 
超声振动通过摩擦传动的方式转换成运动体的回转或直线运动，那如何将电能转换成这种20kHz以上的超声振动呢？超声波电机是利用了压电材料的逆压电效应来实现电能到机械能的转换。
 
压电振动元件受力后产生“压电效应”，也就是受力后产生电荷。而“逆压电效应”则是压电振动元件具有受力被施加外部电压后伸缩振动的特点。振动体由压电陶瓷制成，具备逆压电效应，相当于传统电机中的定子，然后产生的超声振动带动相当于转子的移动体运动，从而实现对外做功。
 
和传统电机完全不同，超声波电机既不需要线圈，也不需要磁铁。相当于定子的压电陶瓷和相当于转子的移动体在压力作用下紧密接触。这使得超声波电机的体积可以做到非常小，甚至小于一毫米都可以。
 
这种极小尺寸的电机能够应用到很多需要微型电机的场合，很多精密设备应用都需要应用到此类电机。
 
超声波电机应用如何
 
目前超声波电机有直线型和环型两个大类，前一个是将高频振动通过共振放大和摩擦耦合变换成了直线型的运动，一个变换成了旋转运动。
 
传统的电机加主轴组合将电机的旋转运动转换成直线运动，但由于机械部件之间的空隙，响应时间会有所延迟。超声波电机驱动可以直接产生直线运动，稳定性更高，惯性更小，虽然有磨损风险，但是在很多小型化系统之中这都可以带来更好的运控效果。
 
一个很典型的成熟超声波电机应用是相机镜头，相机镜头的调焦系统就可能用到超声波电机。超声波电机通过将高频振动转换为动能来驱动镜头，佳能是最早在相机中应用该技术的，并且旗下产品应用了多种不同的形态的超声波电机，均是以定子的超声波振动作为驱动源，带动镜头对焦。
 
超声波电机以低耗电量实现了高灵敏度的高速对焦、平滑的对焦过渡效果以及安静的操作音，并实现了全时手动对焦。
 
机器人的关节驱动则是超声波电机未来十分适配的应用，超声波电机结构简单的优势能大大减少关节模块的体积。此外，移动体惯性小，响应速度快，起动和停止时间都很快，有实现高精度的速度控制和位置控制的基础。
 
而且因为超声波电机压电材料和移动体间依靠摩擦力传动，若两者之间的压力足够大，能够提供非常大的力矩，这种低速大力矩正好是机器人关节需要的。大力矩也是超声波电机的研究方向。
 
虽然有这些优点，但是目前超声波电机在使用寿命、运行效率上还有一定缺陷，除了在微型设备领域，其他领域的应用还需要不断完善有很长的路要走。
 
小结
 
超声波电机作为微型电机的代表，可以说优缺点都很突出，体积小、转矩大、反应速度快、不受磁场影响都是很有利的电机特性，但是易磨损、控制难、效率低也限制了其不少应用。随着该技术方向的研究不断深入，超声波电机应该还会有更多应用涌现。