趙天鋒 李文玉 唐重陳

深圳圣諾醫(yī)療設(shè)備股份有限公司 廣東深圳 518055

超聲電機，或稱壓電電機，又稱超聲波電機[1-2]。超聲電機具有許多優(yōu)良的特性，正是由于它的這些特性，超聲電機技術(shù)在20世紀末期就得到了迅速的發(fā)展和應用。日本在超聲電機的研究方面一直處于世界領(lǐng)先地位，掌握著大多數(shù)超聲電機技術(shù)的專利，并有許多產(chǎn)品面市，例如日本新生USR30。 除了日本之外，美國、德國、法國、中國、瑞士等都有超聲電機產(chǎn)品進入市場，例如我國南京航空航天大學的TRUM-60型，在這些國家中，美國發(fā)展得最快、領(lǐng)域最廣。

1 超聲電機的應用原理特點

1.1 工作原理

超聲電機主要由振動體和移動體組成，振動體等同于電磁電機的定子，由壓電陶瓷和金屬彈性材料制成；移動體等同于電磁電機的轉(zhuǎn)子，由彈性體、摩擦材料及塑料等制成。在振動體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時，利用逆壓電效應或電致伸縮效應使定子在超聲頻段（20KHz以上）產(chǎn)生微機械振動，并將這種振動通過共振放大和摩擦耦合變換成旋轉(zhuǎn)或直線型運動，工作原理如圖1所示。

圖1 行波型超聲電機工作原理

從超聲電機的工作原理可見，其工作包括兩個能量轉(zhuǎn)換作用：機電轉(zhuǎn)換作用和摩擦轉(zhuǎn)換作用。機電轉(zhuǎn)換作用是指壓電陶瓷的逆壓電效應，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)子的直線運動或旋轉(zhuǎn)運動。要達到大力矩輸出、良好止動性，條件就是有效足夠的機電轉(zhuǎn)換作用和有效穩(wěn)定的摩擦轉(zhuǎn)換作用。

1.2 超聲電機的應用分類

超聲電機誕生至今，尚無統(tǒng)一的分類標準，根據(jù)把超聲振動變換為沿一定方向驅(qū)動力的方法不同，可分為行波型和駐波型兩大類[3]，如下圖2所示。行波型是利用定子中產(chǎn)生的行走的橢圓運動來推動轉(zhuǎn)子，屬于連續(xù)驅(qū)動方式。駐波型則利用作固定橢圓運動的定子來推動轉(zhuǎn)子，屬于間斷驅(qū)動方式[4]。

行波型超聲電機按結(jié)構(gòu)和運動形式，可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式；按彈性體和運動體的接觸情況，又分接觸式和非接觸式；按轉(zhuǎn)子運動的自由度，又可分單自由度式和多自由度式。多自由度超聲電機[5]可分：球形超聲電機、圓柱定子超聲電機、圓盤形多自由度超聲電機、以及新型多自由度超聲電機。

圖2 超聲電機基本的分類圖

駐波型超聲電機按結(jié)構(gòu)和運動形式，可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式；而駐波旋轉(zhuǎn)式根據(jù)激勵兩個駐波振動的方式不同，又分為縱扭復合型和模態(tài)轉(zhuǎn)換型。駐波型超聲電機按彈性體和運動體的接觸情況，又分接觸式和非接觸式。非接觸式的超聲電機實際是以空氣和液體等為中間介質(zhì)接觸，也稱聲懸浮超聲電機。

1.3 超聲電機的應用特點

與傳統(tǒng)電磁電機相比，超聲電機具有如下的幾個突出的優(yōu)點[6-7]：

（1）低速、大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速通過驅(qū)動頻率進行調(diào)節(jié)；增加定、轉(zhuǎn)子間的摩擦力就可以獲得大轉(zhuǎn)矩；

（2）體積小、重量輕，目前最細的超聲電機直徑約為0．8mm和重量也可以很輕；

（3）動態(tài)響應速度快、控制特性好，超聲電機的響應時間較短，一般在十幾個毫秒級以內(nèi)；

（4）電磁輻射小，超聲電機不使用電磁場作為驅(qū)動力，因此電磁輻射??；

（5）停止時具有保持力矩，停止時定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力使得具有保持力矩；

（6）斷電自鎖，關(guān)閉電源后轉(zhuǎn)子就會馬上停止，并在定、轉(zhuǎn)子摩擦力的作用下自鎖；

（7）運行無噪音，定子在超聲頻段（20KHz以上）產(chǎn)生微觀機械振動，噪音在音頻段以外；

（8）形式靈活、自由度大，很容易實現(xiàn)直線、多自由度運動；轉(zhuǎn)速既可慢、也可快；

（9）很低的工作電壓，在壓電材料的極化方向上加電壓時，較低的電壓就可以工作；

（10）適應環(huán)境能力強，超聲電機的工作溫度范圍比較廣，取決于壓電材料和摩擦材料。

超聲電機應用研究涉及：超聲、壓電、摩擦和電子等多學科，各學科都有迫切需要解決的難點：①超聲學的問題是如何產(chǎn)生簡單有效的振動，考慮轉(zhuǎn)子對振動體的影響，尤其對大力矩；②壓電學的問題是如何得到無鉛壓電材料，目前采用的鋯鈦酸鉛，含鉛，對環(huán)境污染；③摩擦學方面在超聲振動條件下，接觸面上摩擦的現(xiàn)象還需要深入研究；④電子學的內(nèi)容就是如何得到低成本的智能控制系統(tǒng)，目前成本較高是限制廣泛應用。

2 超聲電機的應用領(lǐng)域

與傳統(tǒng)電機相比，超聲電機在醫(yī)療器械、機器人、智能家居、航空航天、相精密加工等領(lǐng)域有廣泛應用。

2.1 醫(yī)療器械

生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械屬于我國“ 十三五”規(guī)劃重點的領(lǐng)域之一。在磁共振環(huán)境下，傳統(tǒng)的電磁電機會干擾到磁共振形成波譜，進而影響到實時成像，但是超聲電機可以克服這些缺點，在磁共振環(huán)境下廣泛使用，例如磁共振環(huán)境下的高壓注射器（如圣諾磁高壓注射器）、手術(shù)床、搬運車等等。此外超聲電機的特點使它正在于生物醫(yī)學微機械系統(tǒng)（BioMEMS）結(jié)合起來[8]，例如超聲電機作為微型醫(yī)療器械的動力，將牽引醫(yī)療器械引向人體內(nèi)部或向人體傳送藥物。在醫(yī)用內(nèi)窺鏡探頭的微型體積應用中，為內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的超聲診斷提供了可能。

2.2 機器人

機器人在工、農(nóng)、醫(yī)、建、甚至軍事等領(lǐng)域中愈來愈發(fā)揮重要作用，所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。而超聲電機可使機器人和微型機器人簡化結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量、增強其柔性可控性。另外，傳統(tǒng)機器人的電磁式電機1個自由度就需要1個電機，導致機器人體積龐大，笨重而且不夠靈活，而超聲電機則可以實現(xiàn)低速大扭矩的直接驅(qū)動，且可做成多自由度超聲電機，實現(xiàn)單個電機即可滿足多自由度關(guān)節(jié)的驅(qū)動，這對機器人的微型化與高度靈活性提供了可能，因此在機器人領(lǐng)域具有相當廣闊的應用前景[9]。

2.3 智能家居

超聲電機的無噪聲使得它在智能家居領(lǐng)域頗受歡迎，隨著生活改善，人們對物質(zhì)的要求將進一步提升。眾所周知，噪聲是影響生活質(zhì)量的一大因素。如何降低噪聲將是未來智能家居的指標之一，傳統(tǒng)電磁電機顯然難以勝任。超聲電機工作頻率超過人類聽覺范圍（0．02～20 kHz），工作不產(chǎn)生噪音，可應用到智能家居等領(lǐng)域，如窗簾的自動卷簾與降簾、門窗的自動開啟與關(guān)閉、座椅的自動調(diào)節(jié)以及家居的快速移動甚至機器人保姆等，應用領(lǐng)域相當廣泛。

2.4 航空航天

超聲電機的體積小、重量輕、環(huán)境適應能力強、電磁兼容性好等特點，因此受到了航空航天從業(yè)者的青睞，將其應用到空間探測器上，例如微型衛(wèi)星、微型飛機、宇宙飛船等，以應對惡劣的工作環(huán)境；超聲電機可以輕松地勝任晝夜溫差大、太陽磁暴、太空輻射等環(huán)境。超聲電機是飛行器的理想驅(qū)動部件。2017年10月29日，院士趙淳生在《焦點訪談》提到我國把超聲電機用到嫦娥四號探測器上。

2.5 精密加工

傳統(tǒng)精密儀器一般都是由伺服電機帶動滾珠絲桿來提供動力，但由于零件加工精度以及絲桿本身螺紋空程和摩擦的存在，定位精度很難進一步提高。超聲電機的快速響應能力很好地解決了這一難題，位置精度可達0．01μm。隨著超聲電機技術(shù)的成熟以及工藝的改進，未來超聲電機將很有可能實現(xiàn)納米級的精度，提高精密儀器的性能，更好地服務于人類。

3 結(jié)語

隨著超聲電機的結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化、性能不斷改善，在生活、生產(chǎn)等中的應用越來越廣泛。21 世紀將是超聲電機大放光芒的時代，它將有可能全面取代微、小型的電磁電機而得到廣泛的應用[10]?？梢灶A計在未來，超聲電機將在人造衛(wèi)星、飛機、機器人、微型機械、汽車、醫(yī)療器械等領(lǐng)域起更大作用。