文献综述,超声电机原理与未来

超声电机原理及未来发展

摘要

超声电机起源于上世纪八十年代，前后经历了数十年的发展。具有力矩/质量比大，结构紧凑，低速大扭矩，响应快，电磁兼容性和控制性能好等突出优点；并已各个领域得到广泛的应用。超声电机理论、方法、制作、应用、研究都取得丰富的成果。其原理是利用压电材料的逆压电效应使得驻波叠加形成行波实现能量转换，最终通过定转子之间摩擦实现转子运转。其使用的压电材料为压电陶瓷，压电材料和摩擦材料均应达到一定的要求。目前超声电机还存在一定缺陷亟待完善，但未来超声电机其必将向各个领域发展，并得到广泛应用。

关键词：超声电机经历逆压电效应振动驻波行波压电材料缺陷发展

Abstract

Ultrasonic motor originated in the eighty's of the last century, and has experienced decades of development. With torque / mass ratio, compact structure, high torque at low speed, quick response, outstanding advantages of electromagnetic compatibility and good control performance; widely used in various fields . Theory, method, ultrasonic motor manufacture, application, research have seen abundant achievements. Its principle is to use the inverse piezoelectric effect of piezoelectric material which can engender standing wave superimposition ,thus producing traveling wave, then the friction between the stator and rotor cause the rotor to move，realizing the energy conversion. The use of piezoelectric materials for the piezoelectric ceramics, piezoelectric material and friction materials shall meet certain requirements. The ultrasonic motor also has some defects to be improved, but the future for ultrasonic motor is bound to be the development in all fields, and extremely wide use.

Key words：Ultrasonic motor Experience Inverse piezoelectric effect Vibration Standing wave Traveling wave Piezoelectric material

Defect development

目录

引言 (5)

1、超声电机的发展与当今的应用 (6)

2、超声电机工作原理 (8)

2.1逆压电效应 (8)

2.2椭圆运动 (9)

2.3行波产生与转子运动的形成 (10)

3、超声电机压电材料和摩擦材料 (12)

3.1压电材料概述 (12)

3.2超声电机用压电材料 (12)

3.3所用压电材料的性能 (12)

3.4摩擦材料 (13)

4、超声电机的未来 (13)

4.1超声电机未来的应用 (13)

4.2超声电机未来亟待完善之处 (13)

结语 (14)

参考文献 (14)

引言

超声电机起于上世纪八十年代，具有力矩/质量比大，结构紧凑，低速大扭矩，响应快，电磁兼容性和控制性能好等突出优点；并已在机器人、精密仪器仪表、医疗器械、航空航天及新型武器装备等领域得到广泛的应用。超声电机对我们的国防事业有着潜在的促进作用。未来中国的导弹不仅要打得远、威力大，还要打得准，打的巧。超声电机用于我国弹道导弹的末端控制之中，不仅能提高现有导弹的精度，而且通过改造已有产品降低了生产成本，制导炮弹的发展中，在其负载能力加以改进下也能用于炮弹飞行的控制中去，配合制导系统，让炮弹不仅“跑”的快、眼睛亮，而且会“急转弯”。

超声电机理论、方法、制作、应用、研究都取得丰富的成果，然而诸多本科生对此并不了解，而赵敦生教授的讲座介绍了超声电机的原理以及其在军民各领域的广泛应用，给了我们深刻的启迪。由于能力有限，仅对一些概论性、原理性知识加以总结。并对一些细节加以学习和报告。因而论文报告内容包括超声电机的发展、特点、基本原理、所需的振动理论进行介绍，并对压电材料、机械摩擦材料进行简单的学习报告，最后对超声电机的未来进行展望。

1、超声电机的发展与当今的应用

超声电机（ultrasonic motor，USM）是一种全新概念的微特电机。它利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段内微振幅震动，通过定子与转子之间的摩擦让转子做旋转（直线）运动。

图 1 音叉震动驱动钟表齿轮

图 2 lavrinenco发明的超声电机

超声电机起源于上世纪八十年代。1948年Williams和Brown的“压电马达”点燃了研究超声电机的火花。1961年，日本利用音叉往复位移驱动钟表齿轮（图1），频率360Hz，月误差一分钟，刷新了当时的纪录，开创了人类利用弹性振动获取动力的先河。1965年，前苏联的Lavrinenco提出了如图2所示的超声电机，利用压电板的振动驱动转子，并申请了国家专利，归纳出超声电机具有结构简单、成本低、低俗大扭矩、能量密度大、运动精确、能量转换效率高等特性。1973年，IBM公司的Barth提出了用图3所示的具有现代超声电机原理的结构方案。他利用压电元件使一种具有牛角尖形的压电振子产生振动。通过压电振子的牛角尖端与转子表面接触，摩擦来驱动转子转动。后来人们又做出了利用弹簧将矩形压电复合板的边缘压在转子上，通过激发板的纵向振动模态驱动转子。如图4。

图 3 Barth 提出的超声电机图 4 超声电机

1981年，立陶宛Vasiliev成功成功构造出了一种能够驱动较大负载的超声电机，这种电机定子为一个在两个金属块之间夹紧压电元件所组成的超声换能器。用该换能器激发与转子接触的振动片的纵向震动。通过此震动片与转子间的摩擦来驱动转子转动。这种结构不仅能降低共振频率，而且能放大振幅。该电机被用来驱动唱片机的转盘，成为当时最先被实际应用的压电驱动器。1982年，日本Sashida在其基础上，提出并制造了驻波型压电超声电机。后来，他又于1983年制造了行波形超声电机。原理如图5所示。后来，Sashida根据行波超声电机的原理，首先提出了两种直线电机，一种是环梁式（图6），一种是直梁式（图7）。

1987年，Sashida创建了Shinsei工业公司，正式把行波超声电机作为商品出售。Canon

图 5 Sashida提出的行波超声电机图 6 Sashida提出的环梁式直线电机

图 7 Sashida提出的直梁式直线电机

公司将其研发的环形行波超声电机正式应用到EOS（电子光学系统）相机镜头调焦系统中标志着超声电机开始走向实用阶段。

超声电机的研究在我国始于二十世纪九十年代，清华大学、浙大、南京航空航天大学、哈工大等相继展开了相应的研究，并取得了可喜的成果。南京地区，南航的超声电机做得最好，并且申请获得了国家重点实验室（合用），说明其在超声电机方面达到了国内领先水平。更重要的是其已经和企业联合，将其研发成果产业化。而且，赵教授团队研发的超声电机技术，将应用于我国的人造卫星和“嫦娥三号”登月车。他们研发的超声电机具有重量轻、噪音小、响应快、不受电磁干扰等优点，传统电磁电机为187克，超声电机只有55克，而人造卫星上是“一克重量一克金”。拒其介绍，其研制的超声电机应用于东南大学生物医学工程科研项目中的细胞穿刺，帮助后者获得了国家奖项。目前赵教授团队研制的超声电机已经应用于中国核聚变重大工程等项目中。下面则是超声电机的主要应用。

光学仪

器

照相机、摄像机、显微镜

汽车

座椅调节电机、头靠调节电机、自动天线电机、自动门锁电机、自动窗电机、顶板调节电机、计价器电机、电子反光镜等

航空航

天

飞机飞艇等

工业控

制

镗床、磨床、机器人等

医疗器械等

生物材料微型操作器、计量设备、微型喷嘴、冲击发生器、肾结石破碎治疗机、器官超声扫描器

民用产品

压缩机、电子手表、IC、LSI等数控机器、印刷线路加工、检测器、晶片元件、半导体片、窗帘自动器

2、超声电机工作原理

2.1、逆压电效应

正压电效应：某些晶体在机械作用下会像在电场作用下一样，发生极化，导致介质两个端面出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与歪理成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生形变的现象，成为正压电效应，

逆压电效应：将一块晶体置于外电场中，在其作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移。这一极化位移会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象成为逆压电效应。

超声电机正是利用逆压电效应进行工作的，如图9，在压电体上下表面施加正向电压。即在压电体表面形成上正下负的电场，压电体在长度方向伸张；反之，若在压电体上下表面施加反向电场，则其在长度方向会收缩。故施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体进入机械谐振状态。成为压电振子。超声电机使用的压电体机械谐振频率在20kHz以上，故产生超声振动。

图 9 逆压电效应示意

2.2、椭圆运动

根据所学物理知识，我们知道振动位移的轨迹为椭圆时，借助摩擦后才具有连续的定向

驱动力。

设定子在静止状态下与转子表面有一微小间隙。当定子产生超声振动时，其上的接触摩擦点A 做周期运动，轨迹为一椭圆。当A 点运动到椭圆的上半圆时，将于转子表面接触。并通过摩擦作用拨动转子旋转：当A 点运动到椭圆的下半圆时，将与转子表面脱离，并反向回程。如果这种椭圆运动连续不断地进行下去。则对转子具有连续的定向拨动作用。从而使转子连续不断地旋转。因此，超声电机定子的任务就是采用合理的结构，通过各种振动组合来形成椭圆运动。

形成椭圆振动，只要在空间上形成两个相互垂直的振动ux 和uy ，均是由谐振动形成，振动角频率为ω0，振幅分别为A1、A2，时间相位差为φ，两个方向振动方程如下。

)

sin(2)

sin(100?+==t w A u t w A u y x 式2.2.1

从中消去时间t ，有

??22222sin 2cos 2121=+-A u A A u u A u y y x x 式2.2.2 可见当φ=n π（n=0，±1，±2，±3，…）时，两个位移同向运动，合成轨迹为一条直线；当φ≠n π时，其轨迹为一椭圆，并且在φ=n π±π/2时为一标准椭圆。相位差不同时的椭圆形态如图10。其他情形可以按上式推得。可见，相位差决定了椭圆运动的旋转方向。

图 10 不同相位差时的椭圆形态

当相位差为正时，椭圆运动为顺时针，反之为逆时针。故也决定了超声电机的转子转动方向。

2.3行波的产生与转子运动的形成

上面讨论了一个质点椭圆运动的作用。单靠一个质点不足推动转子并驱动一定的负载，而行

波运动则可以满足要求。根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、空间和时间均相差π/2的两相驻波叠加后，将形成一个合成行波。

如图11所示，将极化方向相反的压电压粘结在弹性体上。当在压电体极化方向施加交变电压时，压电体在长度方向上产生交替伸缩变形，在一定的激振电压频率ω0下，弹性体将产生如图9-5（b ）所示的驻波，其数学表达式为

t

x A y 0sin 2sin ωλπ

= 式2.3.1

式中x 为横坐标，y 为纵坐标，A 为驻波波幅，λ为驻波波长。

图 11 驻波形成示意图

若在压电体上同时存在着两相驻波,波幅同为A ，频率也同为ω0，波长同为λ。在时间空间上都相差π/2时，则容易求得合成的波为： )

2cos(210t x A y y y ωλπ

-=+= 式2.3.2

此乃一角频率为ω0、波幅为A 、波长为λ的行波。问题是怎么形成这两相合适的驻波。 事实上，在弹性体分为两部分，使其空间上差四分之一波长也满足空间相差π/2，其次，时间上上也想差π/2即可达到目的。例如图12所示的环状弹性体，分为A 、B 两部分，空间相差λ/4。加以时间上的这样就形成了图13所示的行波，达到了形成行波的目的。

图 12 产生空间间隔示意

图 13 弹性体中形成的行波

设弹性体厚度为h 。由式2.3.2，可知在任意时刻t ，弹性体表面点的纵向运动为

)2cos(

0t w x A u y -=λπ 式2.3.3

横向振动位移为 )2sin(20t x hA x y h u x ωλπλπ--??= 式2.3.4

由以上二式易知弹性体表面上任意一点运动轨迹为椭圆形，由此弹性体表面质点对转子产生连续的定向拨动作用。而且，转子的运动方向与行波方向相反。如图13所示。若定子与转子之间无相对滑动（实际有相对滑动导致速度大小减小），那么两者速度大小相等。则弹性体表面质点横向运动的速度为

)2cos(00t x hA v ωλπλωπ--= 式2.3.5

最大速度应该出现在波峰或波谷处。在表面处，质点无纵向速度，所以横向运动速度为 λωπ0max 'hA v v -== 时2.3.6

以上是超声电机的基本工作原理，虽然振动定子表面振动微小，但定子和转子之间的膜材使微观运动耦合放大，形成了宏观的机械运动。由于篇幅有限，部分推导公式或中间步骤予以省略。

3、超声电机压电材料和摩擦材料

3.1 压电材料概述

压电材料是指受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。逆压电效应则恰恰相

反，受到外电场作用时产生变形，因而在交变电场作用下产生机械振动。

3.2 超声电机用压电材料

超声电机用的压电材料主要是压电陶瓷。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。压电陶瓷是把电能换为机械能的换能材料，是超声电机工作的基础。

3.3所用压电材料性能

超声电机的功率大，因此要求压电材料必须具有以下性能：

（1）在强场下具有小的介电损耗 tan 和大的机械品质因数m Q ；

（2）大的机电耦合系数p k ，使得能量转换效率高并兼有一定的压电常数33d ；

（3）具有大的机械强度，在定子高频振动下，要求陶瓷不断裂、不发生退极化等现象。

（4）具有良好的形变和电压线性应变。

（5）具有好的稳定性，包括时间稳定性和温度稳定性。

（6）适用频率范围较宽。

（7）居里点较高。

实际应用中，上述性能相互制约，故压电陶瓷的性能也是在矛盾的不断解决协调中稳步提高。在一些特殊环境中，如航空航天、机器人、导弹的末端制导等高温环境，就要求压电材料具有很高的居里点。同时低温环境也对材料有一定要求，在此不再赘述。

3.4 摩擦材料

摩擦材料是超声波电机输出力矩的媒介，利用界面摩擦，超声电机能够具有断电自锁能力和高自锁扭矩，其特性对对超声电机的输出力矩、工作噪声和使用寿命直接影响。超声电机使用寿命较短，而且一般不能够长时间连续工作。因而通过改进摩擦材料来提高其使用寿命是目前一个研究方向。摩擦材料切向变形是造成电机定转子界面出现粘滞现象和能量损耗的主要原因。摩擦材料硬度对电机的速度和推进力都有影响，而且摩擦材料的摩擦因数越高，超声电机速度损失越小。

4、超声电机的未来

4、1 超声电机未来的应用

专家预言二十一实际将是超声电机大放光芒的时代，它将有可能部分取代微小型、小型

传统电机而得到更广泛的应用。对超声电机未来发展趋势，我结合所听报告总结为以下几点：

1、未来超声电机将实现微型化、集成化，将在我国人造卫星领域有更好的适应性，提高我

国航天航空水平和国防实力。

2、超声电机将应用于机器人，减轻其重量，简化其结构，增强其可控性。将大大推动机器人产业的发展。

3、应用于医疗器械领域，如手术刀控制和人造心脏驱动器，它也将大大推动医疗水平的发展。

4、磁悬浮列车上的传统电机受到列车上强磁场干扰，限制其发展。而超声电机在此领域也大有作为。

5、超声电机应用于军事领域，如导弹（包括制导炸弹和制导炮弹）末端控制、核弹头等方面。同时用以改造现有的精度较低的导弹和普通炮弹，将是这些兵器再次焕发光彩。

6、应用于计算机领域，比如计算机中光盘驱动以及硬盘、软盘的运动，都是超声电机得以用武之处。

4.2超声电机未来亟待完善之处

虽然超声电机已经取得了飞跃式的发展，但还是存在很多问题。未来亟待解决的问题主要有以下几点：

1、超声电机用压电材料、定子材料、摩擦材料必须要达到更高的性能，同时满足无铅化等环保要求。

2、超声电机的使用寿命必须得以大幅度地提高，以适用于大功率、长时间连续性的工作。同时稳定性也要达到更高的水平。

3、超声电机一般作为驱动力相比传统电机没有太大优势，甚至是处于下风，故为了使其在更广泛的领域内得以应用，还要使其具有更大驱动力，这也有赖压电材料、摩擦材料等性能的提升。

4、定子与转子之间的摩擦材料使电机结构复杂，成本高，故需要予以改良。

结语：

超声电机利用压电材料的逆压电效应使电场能转化为机械能，主要依据压电材料在一定角频率下产生驻波并由两列合适的驻波叠加为行波以及定子接触面质点椭圆运动轨迹拨动转子运动的理论来实现电机的运转。

使用的压电材料为压电陶瓷。为提高效率，需要辅助以摩擦材料。压电材料和摩擦材料均应达到应有的要求。

目前超声电机还存在着一定的问题亟待解决，如寿命短，连续工作能力差，驱动力不大等。压电材料方面也有待发展，如实现压电材料无铅化、研发高温低温环境下工作的压电材料等。

真正意义上超声电机的发展起始于上世纪八十年代，日本德国在此方面做的都好，随后美国也赶了上来。我国超声电机的发展相对稍晚，但在上一代科技人的努力下达到了相当高的水平，缩小了和国际最先进水平的差距，为祖国的科技，国防建设提供了有力支持。同时我国超声电机已经实现学→研→产一体的模式，南京航空航天大学教授产业化是的我们的超声电机得到了迅猛发展。

可见，超声电机起源较晚，超声电机将会在未来得到更好的发展。

参考文献

[1]赵淳生. 超声波电动机技术与应用.科学出版社[M].北京:科学出版社.2007:6-366。