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(wú)繞組和磁極，無(wú)需通過(guò)電磁作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)力。一般由振動(dòng)體（相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)中的定子，由壓電陶瓷和金屬?gòu)椥圆牧现瞥桑┖鸵苿?dòng)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(dòng)體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時(shí)，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(dòng)。并將這種振動(dòng)通過(guò)共振放大和摩擦耦合變換成旋轉(zhuǎn)或直線型運(yùn)動(dòng)。

　　實(shí)現(xiàn)超聲波驅(qū)動(dòng)有兩個(gè)前提條件：首先，需在定子表面激勵(lì)出穩(wěn)態(tài)的質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡；其次，將定子表面質(zhì)點(diǎn)水平方向的微觀運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動(dòng)或平動(dòng)。第一個(gè)前提條件對(duì)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(dòng)能：第二個(gè)前提條件對(duì)應(yīng)著運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化，往往通過(guò)定轉(zhuǎn)子間的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)，近年來(lái)亦有通過(guò)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(jiàn)，其正常工作離不開(kāi)兩個(gè)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(duì)壓電陶瓷振子加高頻振蕩電流，使它以超聲波的頻率振動(dòng)。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(dòng)經(jīng)過(guò)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(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。要保證大力矩輸出、止動(dòng)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(dòng)電壓后，壓電材料產(chǎn)生壓電現(xiàn)象，同時(shí)發(fā)生的縱向延伸和橫向彎曲模式的激勵(lì)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(dòng)力進(jìn)行直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但沒(méi)有驅(qū)動(dòng)電壓的時(shí)候能夠維持一個(gè)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(tái)設(shè)備、光學(xué)纖維制動(dòng)態(tài)元件制造、存儲(chǔ)介質(zhì)制造和測(cè)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(dòng)速度平穩(wěn)，低10μm/s，高250mm/s，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答時(shí)間為50～75μs，整定時(shí)間明顯優(yōu)于一般伺服電動(dòng)機(jī)，以0.1μm的分辨率為例，只需1～2ms，為一般伺服電動(dòng)機(jī)的1/10，定位后沒(méi)有一般伺服電動(dòng)機(jī)存在的晃動(dòng)問(wèn)題，而且超聲波電機(jī)具有重量輕，體積小，行程無(wú)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(wú)法有效潤(rùn)滑等惡劣條件中，且對(duì)系統(tǒng)重量要求嚴(yán)苛，超聲馬達(dá)是其中驅(qū)動(dòng)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(lái)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(dòng)，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(dòng)

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

　　4）微型機(jī)械技術(shù)中的微驅(qū)動(dòng)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(xiě)MEMS）的制造研發(fā)中，其電機(jī)多是毫米級(jí)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(chǎng)合

　　在核磁共振環(huán)境下和磁懸浮列車(chē)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。