超声电机的应用研究综述

赵天锋 李文玉 唐重陈

深圳圣诺医疗设备股份有限公司 广东深圳 518055

超声电机，或称压电电机，又称超声波电机[1-2]。超声电机具有许多优良的特性，正是由于它的这些特性，超声电机技术在20世纪末期就得到了迅速的发展和应用。日本在超声电机的研究方面一直处于世界领先地位，掌握着大多数超声电机技术的专利，并有许多产品面市，例如日本新生USR30。 除了日本之外，美国、德国、法国、中国、瑞士等都有超声电机产品进入市场，例如我国南京航空航天大学的TRUM-60型，在这些国家中，美国发展得最快、领域最广。

1 超声电机的应用原理特点

1.1 工作原理

超声电机主要由振动体和移动体组成，振动体等同于电磁电机的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成；移动体等同于电磁电机的转子，由弹性体、摩擦材料及塑料等制成。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使定子在超声频段（20KHz以上）产生微机械振动，并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动，工作原理如图1所示。

图1 行波型超声电机工作原理

从超声电机的工作原理可见，其工作包括两个能量转换作用：机电转换作用和摩擦转换作用。机电转换作用是指压电陶瓷的逆压电效应，即对压电陶瓷振子加高频振荡电流，使它以超声波的频率振动。摩擦转换作用是指弹性体的振动经过定子与转子工作面间的摩擦作用转化成转子的直线运动或旋转运动。要达到大力矩输出、良好止动性，条件就是有效足够的机电转换作用和有效稳定的摩擦转换作用。

1.2 超声电机的应用分类

超声电机诞生至今，尚无统一的分类标准，根据把超声振动变换为沿一定方向驱动力的方法不同，可分为行波型和驻波型两大类[3]，如下图2所示。行波型是利用定子中产生的行走的椭圆运动来推动转子，属于连续驱动方式。驻波型则利用作固定椭圆运动的定子来推动转子，属于间断驱动方式[4]。

行波型超声电机按结构和运动形式，可分为直线式和旋转式；按弹性体和运动体的接触情况，又分接触式和非接触式；按转子运动的自由度，又可分单自由度式和多自由度式。多自由度超声电机[5]可分：球形超声电机、圆柱定子超声电机、圆盘形多自由度超声电机、以及新型多自由度超声电机。

图2 超声电机基本的分类图

驻波型超声电机按结构和运动形式，可分为直线式和旋转式；而驻波旋转式根据激励两个驻波振动的方式不同，又分为纵扭复合型和模态转换型。驻波型超声电机按弹性体和运动体的接触情况，又分接触式和非接触式。非接触式的超声电机实际是以空气和液体等为中间介质接触，也称声悬浮超声电机。

1.3 超声电机的应用特点

与传统电磁电机相比，超声电机具有如下的几个突出的优点[6-7]：

（1）低速、大转矩，转速通过驱动频率进行调节；增加定、转子间的摩擦力就可以获得大转矩；

（2）体积小、重量轻，目前最细的超声电机直径约为0．8mm和重量也可以很轻；

（3）动态响应速度快、控制特性好，超声电机的响应时间较短，一般在十几个毫秒级以内；

（4）电磁辐射小，超声电机不使用电磁场作为驱动力，因此电磁辐射小；

（5）停止时具有保持力矩，停止时定子和转子之间的摩擦力使得具有保持力矩；

（6）断电自锁，关闭电源后转子就会马上停止，并在定、转子摩擦力的作用下自锁；

（7）运行无噪音，定子在超声频段（20KHz以上）产生微观机械振动，噪音在音频段以外；

（8）形式灵活、自由度大，很容易实现直线、多自由度运动；转速既可慢、也可快；

（9）很低的工作电压，在压电材料的极化方向上加电压时，较低的电压就可以工作；

（10）适应环境能力强，超声电机的工作温度范围比较广，取决于压电材料和摩擦材料。

超声电机应用研究涉及：超声、压电、摩擦和电子等多学科，各学科都有迫切需要解决的难点：①超声学的问题是如何产生简单有效的振动，考虑转子对振动体的影响，尤其对大力矩；②压电学的问题是如何得到无铅压电材料，目前采用的锆钛酸铅，含铅，对环境污染；③摩擦学方面在超声振动条件下，接触面上摩擦的现象还需要深入研究；④电子学的内容就是如何得到低成本的智能控制系统，目前成本较高是限制广泛应用。

2 超声电机的应用领域

与传统电机相比，超声电机在医疗器械、机器人、智能家居、航空航天、相精密加工等领域有广泛应用。

2.1 医疗器械

生物医药及高性能医疗器械属于我国“ 十三五”规划重点的领域之一。在磁共振环境下，传统的电磁电机会干扰到磁共振形成波谱，进而影响到实时成像，但是超声电机可以克服这些缺点，在磁共振环境下广泛使用，例如磁共振环境下的高压注射器（如圣诺磁高压注射器）、手术床、搬运车等等。此外超声电机的特点使它正在于生物医学微机械系统（BioMEMS）结合起来[8]，例如超声电机作为微型医疗器械的动力，将牵引医疗器械引向人体内部或向人体传送药物。在医用内窥镜探头的微型体积应用中，为内窥镜系统的超声诊断提供了可能。

2.2 机器人

机器人在工、农、医、建、甚至军事等领域中愈来愈发挥重要作用，所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而超声电机可使机器人和微型机器人简化结构、减轻质量、增强其柔性可控性。另外，传统机器人的电磁式电机1个自由度就需要1个电机，导致机器人体积庞大，笨重而且不够灵活，而超声电机则可以实现低速大扭矩的直接驱动，且可做成多自由度超声电机，实现单个电机即可满足多自由度关节的驱动，这对机器人的微型化与高度灵活性提供了可能，因此在机器人领域具有相当广阔的应用前景[9]。

2.3 智能家居

超声电机的无噪声使得它在智能家居领域颇受欢迎，随着生活改善，人们对物质的要求将进一步提升。众所周知，噪声是影响生活质量的一大因素。如何降低噪声将是未来智能家居的指标之一，传统电磁电机显然难以胜任。超声电机工作频率超过人类听觉范围（0．02～20 kHz），工作不产生噪音，可应用到智能家居等领域，如窗帘的自动卷帘与降帘、门窗的自动开启与关闭、座椅的自动调节以及家居的快速移动甚至机器人保姆等，应用领域相当广泛。

2.4 航空航天

超声电机的体积小、重量轻、环境适应能力强、电磁兼容性好等特点，因此受到了航空航天从业者的青睐，将其应用到空间探测器上，例如微型卫星、微型飞机、宇宙飞船等，以应对恶劣的工作环境；超声电机可以轻松地胜任昼夜温差大、太阳磁暴、太空辐射等环境。超声电机是飞行器的理想驱动部件。2017年10月29日，院士赵淳生在《焦点访谈》提到我国把超声电机用到嫦娥四号探测器上。

2.5 精密加工

传统精密仪器一般都是由伺服电机带动滚珠丝杆来提供动力，但由于零件加工精度以及丝杆本身螺纹空程和摩擦的存在，定位精度很难进一步提高。超声电机的快速响应能力很好地解决了这一难题，位置精度可达0．01μm。随着超声电机技术的成熟以及工艺的改进，未来超声电机将很有可能实现纳米级的精度，提高精密仪器的性能，更好地服务于人类。

3 结语

随着超声电机的结构不断优化、性能不断改善，在生活、生产等中的应用越来越广泛。21 世纪将是超声电机大放光芒的时代，它将有可能全面取代微、小型的电磁电机而得到广泛的应用[10]。可以预计在未来，超声电机将在人造卫星、飞机、机器人、微型机械、汽车、医疗器械等领域起更大作用。