超聲波電機(jī)的工作原理_超聲波電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

　　與傳統(tǒng)的電機(jī)不同，超聲波電機(jī)無繞組和磁極，無需通過電磁作用產(chǎn)生運(yùn)動力。一般由振動體（相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)中的定子，由壓電陶瓷和金屬彈性材料制成）和移動體（相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子，由彈性體和摩擦材料及塑料等制成）組成。在振動體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時，利用逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)使定子在超聲頻段（頻率為20KHZ以上）產(chǎn)生微觀機(jī)械振動。并將這種振動通過共振放大和摩擦耦合變換成旋轉(zhuǎn)或直線型運(yùn)動。

　　實(shí)現(xiàn)超聲波驅(qū)動有兩個前提條件：首先，需在定子表面激勵出穩(wěn)態(tài)的質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動軌跡；其次，將定子表面質(zhì)點(diǎn)水平方向的微觀運(yùn)動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動或平動。第一個前提條件對應(yīng)著機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，利用逆壓電效應(yīng)由電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動能：第二個前提條件對應(yīng)著運(yùn)動形式轉(zhuǎn)化，往往通過定轉(zhuǎn)子間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)，近年來亦有通過氣體或液體為中間介質(zhì)接觸為非接觸型超聲波電機(jī)，也稱為聲懸浮超聲波電機(jī)。從超聲電機(jī)的工作原理可見，其正常工作離不開兩個能量轉(zhuǎn)換作用：機(jī)電轉(zhuǎn)換作用和摩擦轉(zhuǎn)換作用。機(jī)電轉(zhuǎn)換作用是指壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，即對壓電陶瓷振子加高頻振蕩電流，使它以超聲波的頻率振動。摩擦轉(zhuǎn)換作用是指彈性體（定子與壓電陶瓷的合稱）的振動經(jīng)過定子與轉(zhuǎn)子工作面間的摩擦作用轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的直線運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。要保證大力矩輸出、止動性好，必須滿足的條件就是有效足夠的機(jī)電轉(zhuǎn)換作用和有效穩(wěn)定的摩擦轉(zhuǎn)換作用。

　　給超聲波電機(jī)輸入驅(qū)動電壓后，壓電材料產(chǎn)生壓電現(xiàn)象，同時發(fā)生的縱向延伸和橫向彎曲模式的激勵在陶瓷指尖的狹小的橢圓通道里產(chǎn)生二維聲波，從而產(chǎn)生驅(qū)動力進(jìn)行直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。但沒有驅(qū)動電壓的時候能夠維持一個保持力矩，不產(chǎn)生位移和滯后。

　　可用在從普通環(huán)境到超高真空環(huán)境的半導(dǎo)體設(shè)備、平面平臺設(shè)備、光學(xué)纖維制動態(tài)元件制造、存儲介質(zhì)制造和測試設(shè)備、生物醫(yī)藥和制藥、度量衡和超高精度的微型數(shù)控等設(shè)備中。

　　具有定位精確，分辨率可達(dá)1μm，精度10nm，運(yùn)動速度平穩(wěn)，低10μm/s，高250mm/s，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答時間為50～75μs，整定時間明顯優(yōu)于一般伺服電動機(jī)，以0.1μm的分辨率為例，只需1～2ms，為一般伺服電動機(jī)的1/10，定位后沒有一般伺服電動機(jī)存在的晃動問題，而且超聲波電機(jī)具有重量輕，體積小，行程無限制等特點(diǎn)。

　　超聲波電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域可概括如下：

　　1）航空航天領(lǐng)域

　　航空航天器往往處在高真空、極端溫度、強(qiáng)輻射、無法有效潤滑等惡劣條件中，且對系統(tǒng)重量要求嚴(yán)苛，超聲馬達(dá)是其中驅(qū)動器的最佳選擇。

　　2）精密儀器儀表電磁馬達(dá)用齒輪箱減速來增大力矩，由于存在齒輪間隙和回程誤差，難以達(dá)到很高定位精度，而超聲馬達(dá)可直接實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，且響應(yīng)快、控制特性好，可用于精密儀器儀表。

　　3）機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動

　　用超聲電動機(jī)作為機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動器，可將關(guān)節(jié)的固定部分和運(yùn)動部分分別與超聲馬達(dá)的定、轉(zhuǎn)子作為一體，使整個機(jī)構(gòu)非常緊湊。日本開發(fā)出球型超聲電動機(jī)，為多自由度機(jī)器人的驅(qū)動解決了諸多的難題。

　　4）微型機(jī)械技術(shù)中的微驅(qū)動器

　　微型電機(jī)作為微型機(jī)械的核心，是微型機(jī)械發(fā)展水平的重要標(biāo)志。微電子機(jī)械系統(tǒng)（micro electronic mechanical systems，縮寫MEMS）的制造研發(fā)中，其電機(jī)多是毫米級的。醫(yī)療領(lǐng)域是微機(jī)械技術(shù)運(yùn)用最具代表性的領(lǐng)域之一，超聲電機(jī)在手術(shù)機(jī)器人和外科手術(shù)器械上已得到應(yīng)用。

　　5）電磁干擾很強(qiáng)或不允許產(chǎn)生電磁干擾的場合

　　在核磁共振環(huán)境下和磁懸浮列車運(yùn)行的條件下，電磁電機(jī)不能正常工作，超聲馬達(dá)卻能勝任。