超声电机的发展应用及未来

赵淳生

（南京航空航天大学超声电机研究中心 南京，210016）

传统的电磁型电机的发明和发展已有100多年的历史。无论在理论上、设计方法上或制造技术上，都已达到十分完善的程度。由于它的工作原理和结构的限制，难以满足当前宇宙飞船、人造卫星、飞机、导弹、汽车、机器人、精密仪器等等对电机所提出的短、小、薄、低噪声、无电磁干扰等要求。为此，世界各国都在努力研究各种新型电机。其中，二十世纪末期发展起来的超声电机（Ultrasonic Motor）算是最典型的一种。图1为一超声电机的分解图。

图1 超声电机结构分解图

从驱动和控制装置产生的30－40kHz二个同频的超声电压分别作用于一片压电陶瓷环的A相和B相上，使陶瓷环和附在它上面的弹性园环（构成定子）产生二个同频弯曲共振模态（驻波）。对这二个同频超声电压在空间上的相位和时间上的相位进行调节，就可将这二个驻波迭加成单一的旋转模态――行波，通过定子与转子间的摩擦作用即可驱使转子运动。由此可知，超声电机突破了传统的电磁电机的概念：它没有磁极绕组和磁路，不依靠电磁相互作用来转换能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将定子的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子（旋转型电机）或动子（直线型电机）的宏观运动。它与传统的电磁电机相比，具有惯性小、响应快、控制特性好、不受磁场影响且其本身也不产生磁场、运动准确等特点。特别是它具有重量轻、结构简单、噪声小、低速大扭矩以及可直接驱动负载等特性。它不需要齿轮变速机构来降低转速，避免了使用齿轮变速机构而产生的振动、冲击与噪声等问题。可以说，超声电机技术是处于当今世界高新技术之一。

一、超声电机技术的发展

1973年，美国IBM公司的H.V.Barth博士首先研制成功原理性超声电机。与此同时，前苏联的http://www.77cn.com.cnvrinenko等人也研制出几乎与Barth相同的原理性超声电机。80年代，日本许多科学工作者致力将美国和苏联的原理性样机开发成实用的超声电机。直至80年代末90年代初期，日本的超声电机开始进入到商业应用。目前，日本在超声电机的研究和应用上都处于领先地位。它掌握着世界上大多数超声电机技术发明专利。现在几乎各知名大学和许多公司都在进行超声电机的研究和生产。其中Canon公司花费10亿日元建立了一条超声电机生产线，每月能生产20－40万台超声电机。它除了供给该公司生产的照相机配套外，还提供日本其他领域使用。日本Seiko公司每年生产20万台用于手表的超声电机。还有不少公司，如Shinsei，Honda，Panasonic，Hitachi等公司都在发展和生产超声电机。日本丰田公司1998年还成立了一家子公司，专门研究和开发用于汽车上的超声电机。该子公司正在开发力矩为2Nm的超声电机，准备用作小轿车上门窗玻璃的升降装置。美国、德国、法国、英国等都不甘落后，它们己经或正在投入大批的人力、物力开发超声电机，努力追赶日本。特别是美国，仅Pennysyvania州立大学在1994－1998年就投入1.5亿专门从事压电材料和超声电机研究。在德国，有University of Paderborm 和Darmstadt University of Technology在研究超声电机，且 GmbH 公司的产品已用于奔驰汽车自动窗门。在英国，University of

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