超声电机的发展及应用摘要：回顾了超声电机的发展和应用情况，叙述了超声电机的特点，总结了超声电机的分类方法，指出了超声电机技术的发展趋势。针对我国超声电机技术开发和研究现状，提出了我国超声电机产业化进程中亟待解决的一些关键问题。关键词：超声电机;压电材料;摩擦驱动;精密定位中图分类号：TM359.9文献标志码：ADevelopmentandApplicationofUltrasonicMotorsAbstract:Thedevelopmenthistoryandtheapplicationoftheultrasonicmotorarereviewed,anditscharacteristicsarealsosummarized.Amethodforclassifyingtheultrasonicmotorisproposed.Thedevelopmenttrendsofthemotorispointedout,Somekeytechnicalproblems,whichhavetobesolvedintheindustrilizationprogressofthemotor,arepresentaccordingtotheresearchactualityinourcountry.Keywords:ultrasonicmotor;piezoeletricmateria;frictionactuating;precisionpositioning1引言自1980年日本学者指田年生成功地制造出第一台驻波型超声电机至今，各种类型和结构的超声电机不断地被研制，其性能指标也越来越接近实际工程应用的需要。到上世纪90年代，随着MEMS技术成为国际上的研究热点，超声电机中的微型超声电机也逐渐成为该领域的研究热点。超声电机(ultrasonicmotor,简称USM)是一种全新概念的微特电机。它的工作原理是利用压电材料的逆压电效应,激发弹性体在超声频段内微幅振动,并通过定子与转子之间的摩擦作用将其转换成转子(动子)的旋转(直线)运动。微电子机械系统(MEMS)的一个基本特征是，“尺寸在毫米到微米的范围内，区别于一般的宏，即传统的、大于1cm尺度的机械，但并非进入物理上的微观层次”[1]。MEMS的驱动器作为机械系统的核心动力源是其研究的重点和突破点。微型超声电机不仅结构灵活，而且更能满足MEMS对电机的输出力矩以及输出功率要求，它是新颖的，也是最具发展潜力的微型驱动器。事实证明，微型超声电机在航空航天、半导体工业、医疗器械等领域已经起到了电磁电机、静电电机等不可替代的作用[2]。就目前的研究现状来说,超声电机是诸类新型电机中技术较为成熟的一种,并且在许多领域已经得到了实际应用。本文将综述超声电机技术的发展历史、特点、分类和应用情况,最后针对我国超声电机的研究现状提出几点亟待解决的关键问题。2超声电机的特点与分类2.1超声电机的特点由于超声电机具有全新的原理和结构,因而它与传统电磁型电机比较具有许多特点。a)优点:1)结构紧凑,设计灵活、转矩密度(转矩/质量比)大,可以实现电机的短、小、薄。超声电机的转矩质量比可以达到传统电磁电机的5-10。2)低速大转矩,无需齿轮减速机构,可实现直接驱动。3)电机运动部件(转子)的惯性小,响应快(毫秒级)。断电自锁,且具有较大的保持力矩。4)位置和速度控制精度高,位移分辨率高,响应快。5)不产生磁场,不受外界磁场干扰。6)低噪声运行,噪声在45dB以下(距离电机轴端100mm处测量)。7)如果设计合理,压电材料和摩擦材料选用适当,则可在真空、高/低温环境等极端环境下工作。b)缺点:1)功率输出小,效率较低。超声电机工作时存在两个能量的转换过程:一是通过逆压电效应将电能转换为定子振动的机械能;二是通过摩擦作用将定子的微幅振动转化为转子(动子)的宏观运动。这两个过程都存在着一定的能量损耗,特别是第二个过程。因此,超声电机的效率较低,输出功率小于50W。2)寿命较短,不适合于连续运转的场合。3)对驱动信号的要求严格,且成本较高超声电机的特点【3】。2.2超声电机的分类超声电机设计灵活、结构多样,目前尚无统一系统的分类方法。按波的传播方式分为行波型、驻波型；按运动输出方式分为旋转型、直线型；按定、转子的接触方式分为接触式、非接触式；按压电元件对定子的激振方式分为共振式、非共振式；按转子运动的自由度数分为单自由度、多自由度；按驱动点的振动位移方向相对于定子工作表面的几何关系分为面外模态面内模态；按定子的结构形式分为板式、环式、杆式。赵淳生院士认为,超声电机是一个振动利用的典型例子,以其振动的特征来进行分类能较好地反映出超声电机的特点。按照这样的分类方法,从现有的超声电机来看,主要有五类,即:...