超聲電機技術詳解

電磁電機與超聲電機比較

一提到電動機人們可能馬上想到電磁電機。從1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電磁作用，到1836年電磁電動機應用于印刷機上，僅用了十幾年的時間。目前，電磁電機在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中都有著廣泛的應用。電磁電機利用電磁效應把電能轉(zhuǎn)換成機械能。一個常見的直流電磁電機的換能部件主要由定子和轉(zhuǎn)子組成；定子產(chǎn)生一個固定的磁場，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個可以旋轉(zhuǎn)的磁場；定子與轉(zhuǎn)子不接觸，而通過兩個磁場的相互作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。普通電磁電機的特點是轉(zhuǎn)速快，每秒上千轉(zhuǎn)。電動機的輸出功率是力矩乘以轉(zhuǎn)速，所以一般電磁電機的直接輸出力矩都比較小。

20世紀90年代日本佳能公司研制出一種壓電電動機，這種電動機的工作原理是利用逆壓電效應把電能轉(zhuǎn)換成機械能。常見的壓電電機也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，但定子是由壓電材料和金屬材料組合制成，轉(zhuǎn)子是由金屬材料制成；壓電材料把電能轉(zhuǎn)換成機械振動能，激勵定子金屬體振動；轉(zhuǎn)子與定子相接觸，通過摩擦力，定子的振動驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。由于定子的振動頻率一般在大于20kHz的超聲頻段，因此人們也將壓電電機稱為超聲電機。

早在1948年美國科學家威廉斯和布朗就申請了“超聲電機”的專利。隨后，很多人試圖將超聲電機的想法變成產(chǎn)品，都沒有成功。1982年日本人指田提出了一個超聲電機的設計方案；但直到1992年佳能公司才利用指田的方案制造出商業(yè)化的超聲電機，并應用于照相機中，作為鏡頭調(diào)焦的驅(qū)動器。在此之后，許多國家都開展了超聲電機的研究。目前超聲電機已經(jīng)廣泛應用在光學儀器、高檔轎車、精密儀器、自動控制、航空航天等許多領域。

超聲電機的工作原理和工作效果與電磁電機完全不同，一個主要特點就是超聲電機可以得到較低轉(zhuǎn)速，因此輸出力矩較大，可以省去減速機構直接帶動負載。除了轉(zhuǎn)速低，超聲電機還有很多其他的特點：：（1）因為超聲電機不使用電磁場作為驅(qū)動力，因此電磁輻射小。許多情況下，不希望有電機產(chǎn)生強電磁干擾，或者在強磁場環(huán)境中，電磁電機的正常工作會受到影響；而超聲電機不需要做太多的電磁屏蔽處理就可以在這些條件下工作。（2）超聲電機依靠定、轉(zhuǎn)子之間的接觸摩擦作為驅(qū)動方式，關閉電源后轉(zhuǎn)子就會馬上停止，并在摩擦力的作用下固定不動；而步進電磁電機若要把所驅(qū)動的部件固定在一個位置上則需要電流來維持。（3）超聲電機的響應時間較短，一般在十幾毫秒以內(nèi)。（4）超聲電機沒有電磁線圈，可以不用銅材，節(jié)省原料造價。（5）超聲電機的轉(zhuǎn)速可以通過改變驅(qū)動頻率進行調(diào)節(jié)，比較靈活。（6）超聲電機與電磁電機相比，還有一個最大的優(yōu)勢就是在小尺寸時，電磁電機的效率急劇降低，并且很難制作出直徑在1mm量級的電磁電機，而超聲電機在很小尺寸上都可以有效工作。

各種各樣的超聲電機

超聲電機的工作原理，是把特殊形式的振動通過摩擦力轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動或平動。根據(jù)振動體的不同形式，可以制作出多種多樣的超聲電機。日本佳能相機中應用的超聲電機就有兩種。一種是環(huán)式電機，另一種是棒式電機。

環(huán)式電機的定子振動體和壓在其上的轉(zhuǎn)子都是圓環(huán)形薄片（圖1）。電機工作時，在定子圓環(huán)上產(chǎn)生的是彎曲振動的行波。行波是沿著圓環(huán)的周向行進，圓環(huán)表面質(zhì)點的振動軌跡是橢圓形。表面質(zhì)點在波峰處，位移有一個平行于靜止圓環(huán)的分量，這個分量通過摩擦驅(qū)動了與之接觸的環(huán)形轉(zhuǎn)子[圖1（b）]。轉(zhuǎn)子的中間放置鏡頭，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動可以通過適當?shù)臋C構轉(zhuǎn)換成鏡頭的直線運動，以達到調(diào)焦的目的。由于這種環(huán)式超聲電機是利用行波進行驅(qū)動，所以也稱為行波超聲電機。

圖1  行波超聲電機工作原理

把轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成直線運動的方式很多，如圖2所示，轉(zhuǎn)子上連接一個圓筒，圓筒的側(cè)壁上開有斜槽，圓筒的中間放置鏡頭筒，鏡頭筒的外壁上固定有銷釘，銷釘插在斜槽中。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，斜槽推動銷釘使鏡頭筒產(chǎn)生直線運動。

圖2  轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成直線運動

環(huán)形行波超聲電機的輸出力矩一般不大。要得到較大力矩的行波超聲電機，定子和轉(zhuǎn)子都采用圓盤形，轉(zhuǎn)子的中間和輸出力矩的軸相聯(lián)。定、轉(zhuǎn)子的相互作用發(fā)生在圓盤的邊緣處。

佳能相機中，棒式超聲電機的工作方式有些像呼啦圈。定子是圓柱形。振動時，圓柱的軸線發(fā)生彎曲，這時定子端面上只有一個點與轉(zhuǎn)子相接觸（圖2）。改變圓柱彎曲的方向，接觸點的位置也改變。如果讓接觸點繞原軸線旋轉(zhuǎn)，與定子相接觸的轉(zhuǎn)子被摩擦力驅(qū)動隨著接觸點發(fā)生轉(zhuǎn)動。與呼啦圈類比，人的腰部對應于定子端面上的接觸點，轉(zhuǎn)子對應于圓圈。由于這種棒式超聲電機的定子是做彎曲旋轉(zhuǎn)運動，所以也被稱為彎曲旋轉(zhuǎn)超聲電機，工作原理見圖3。

圖3  彎曲旋轉(zhuǎn)超聲電機工作原理圖

（a）定、轉(zhuǎn)子結構示意圖

（b）分出4個電極對的壓電陶瓷片

（c）定子激振原理圖

棒式超聲電機可以做得很小。目前最細的超聲電機直徑約為0.8mm，長度約為6mm。定子也采取彎曲旋轉(zhuǎn)的形式運動。轉(zhuǎn)速可以從300轉(zhuǎn)/秒到3000轉(zhuǎn)/秒之間變化。這種微型超聲電機可以用作內(nèi)窺鏡的掃描驅(qū)動器。

棒式超聲電機除了有彎曲旋轉(zhuǎn)型，還有扭縱型。扭縱型電機沿著軸線縱振動，同時圍繞軸線扭轉(zhuǎn)振動?？v振動使定、轉(zhuǎn)子之間交替分離和接觸。在扭轉(zhuǎn)振動的前半個周期，定子與轉(zhuǎn)子接觸，通過摩擦驅(qū)動它向一個方向轉(zhuǎn)動；扭轉(zhuǎn)振動的后半個周期，定子反方向扭動，但此時定、轉(zhuǎn)子恰呈分離狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不會反方向運動。每個周期都重復該過程，轉(zhuǎn)子就能保持向同一個方向旋轉(zhuǎn)。扭縱超聲電機的輸出力矩可以很大，目前能達到40牛米。由于這種電機要產(chǎn)生兩種振動，根據(jù)設計規(guī)律就要求軸向尺寸很大，因而限制了它的應用范圍。

一種大力矩行波超聲電機可以彌補扭縱超聲電機在尺寸上的不足。在普通的圓盤行波超聲電機中，定子和轉(zhuǎn)子都是懸臂梁結構，圓盤的中間是支撐處。因為超聲電機是靠摩擦力產(chǎn)生輸出力矩，因此要得到大力矩，可以增加定、轉(zhuǎn)子之間的壓力。但這會引起定子和轉(zhuǎn)子的較大變形，而在設計時很難確定兩個變形，因此不容易設計出較好的結構，得到大力矩。新型大力矩行波超聲電機中，把振動體作為轉(zhuǎn)子，把外殼作為定子，這樣就只有轉(zhuǎn)子是懸臂梁，改善了受力結構，使得設計上比較容易實現(xiàn)大力矩輸出。大力矩行波超聲電機的形狀為圓盤形，厚度約為40mm，輸出的力矩可以驅(qū)動小轎車的車窗玻璃。目前，這種超聲電機的輸出力矩可以達到8牛米。

目前世界上手機的擁有量非常巨大，并且大多數(shù)手機都帶有照相功能。我們知道光學變焦的分辨率要高于數(shù)碼變焦，但是帶光學變焦的手機相機卻很少見，主要是因為沒有適用于驅(qū)動鏡頭變焦的電機。雖然佳能公司的兩種超聲電機已經(jīng)很成功地應用在照相機的調(diào)焦機構中，但他們尺寸都很難再減小。而電磁電機在小尺寸時效率很低，耗電量急劇增加，無法滿足使用要求。

為解決手機光學調(diào)焦的難題，一種螺母型超聲電機應運而生。這種電機的定子為螺母型，用空心螺桿作轉(zhuǎn)子，螺桿中空處放置鏡頭（圖4）。在定子的內(nèi)壁上產(chǎn)生的是垂直于內(nèi)壁振動的環(huán)繞行波，與圓環(huán)行波超聲電機相類似，行波波峰的運動驅(qū)動轉(zhuǎn)子螺桿轉(zhuǎn)動；螺紋驅(qū)動螺桿做直線運動，實現(xiàn)調(diào)焦。這種電機除了具有超聲電機的一般優(yōu)點外，還具有省電、體積小和抗震等優(yōu)點。螺母型超聲電機有望在近期應用于手機相機的光學調(diào)焦機構中。

圖4  螺母型超聲電機結構示意圖

根據(jù)超聲電機的工作原理，超聲電機還可以制作出許多不同的形式。例如，超聲電機可以很容易實現(xiàn)直線運動；還可以實現(xiàn)多自由度運動。多自由度超聲電機的轉(zhuǎn)子是一個圓球，轉(zhuǎn)子上可以放置多個環(huán)形定子，每一個定子的軸線就是一個轉(zhuǎn)動軸，因此可以有多個轉(zhuǎn)動方向。另外，超聲電機的轉(zhuǎn)速既可以很慢，也可以很快，非接觸式高速超聲電機可以達到每分鐘上萬轉(zhuǎn)。

振動的形成

超聲電機需要有振動源，一般采用壓電陶瓷，把電能轉(zhuǎn)換成機械能。壓電材料有一個極化方向。如果在壓電材料的極化方向上加電壓時，當電場方向與極化方向一致或相反時，壓電材料會在極化方向上發(fā)生伸長或縮短變形；如果在垂直于極化方向上加電壓，就會產(chǎn)生剪切變形。

當電壓方向交替變化時，就會產(chǎn)生交變的機械變形，即發(fā)生機械振動。振動的頻率是和交流電的頻率一致的。電機的機械振動頻率在超聲頻段，因此超聲電機需要一個超聲頻段的交流電源。適當設計定子的結構就可以得到需要的振動形式。例如，如圖1（b）所示，要在環(huán)形行波超聲電機的圓環(huán)表面上產(chǎn)生行波，可以把壓電陶瓷片與金屬圓環(huán)粘在一起；壓電陶瓷片是在厚度方向上進行極化，兩面上涂有銀電極，沿著周向上分成許多對電極；當在厚度方向上加電壓時，壓電片在厚度上發(fā)生變形，同時根據(jù)彈性原理，在周向上也會發(fā)生變形。每對電極上加交變電壓，使陶瓷片在周向上交變伸長和縮短。因為金屬環(huán)和陶瓷片粘接在一起，因此金屬環(huán)也交替發(fā)生伸長和縮短變形。如果電壓交變頻率與定子的振動模態(tài)頻率一致，就會激勵出相應模態(tài)的駐波振動。我們知道兩個駐波可以形成一個行波，如果讓相鄰兩對電極在空間和時間相位上都相差π/2，就可以激勵出行波。

于此相類似，螺母型超聲電機是在螺母型定子外壁粘上壓電陶瓷片，每一個壓電片上按適當?shù)臅r序加電后，可以在螺母內(nèi)壁產(chǎn)生行波。

佳能相機中的棒式超聲電機的定子是兩個金屬圓環(huán)中間夾著壓電陶瓷圓環(huán)組成，環(huán)的中心穿有螺栓把它們聯(lián)在一起。壓電環(huán)沿著周向分成4對電極，如圖3（b）。加在相鄰兩個對電極上的電信號相差1/4周期，這樣，在一個方向上，相對的兩對電極上的電壓相差1/2周期，在另外一個垂直方向上，相對的兩對電極上的電壓為零。如圖3（c）所示，在y方向上對稱的兩對電極上加的電壓相位相差1/2周期，一側(cè)產(chǎn)生壓縮變形，另一側(cè)就產(chǎn)生伸長變形，整個定子柱就會向負y方向發(fā)生彎曲，而在x方向上沒有發(fā)生變形。在1/4周期時間后，y方向上處于平衡位置，定子柱向正x方向彎曲。順序改變電信號，可以使彎曲的方向依次變化，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的效果。

扭縱超聲電機也是棒式電機。它的定子是由兩個金屬圓環(huán)中間夾著兩組壓電陶瓷圓環(huán)組成，見圖5。一組壓電環(huán)沿著厚度方向極化，用于產(chǎn)生軸線的縱振；另一組壓電環(huán)沿著圓周方向極化，當在厚度方向上加電壓時會產(chǎn)生剪切變形，用于產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動。兩組壓電陶瓷片上加的電壓的頻率相同，但有一個相位差。

圖5  扭轉(zhuǎn)超聲電機定子結構

還有一類超聲電機為振動模態(tài)轉(zhuǎn)換型。這類超聲電機的振動源比較簡單，一般只有單一的振動源，復雜的振動形式是靠結構來實現(xiàn)的。例如，在一個縱振棒的端部有特殊形狀的多個齒，振動激勵這些齒做復雜的運動，齒上壓著的轉(zhuǎn)子就會通過摩擦力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。

超聲電機研究進展、前沿和方向

超聲電機的研究涉及超聲學，壓電學，摩擦學和電子學等多學科，非常復雜。這也是為什么超聲電機從提出想法到實用花費了近50年時間的原因之一。

超聲學中的主要問題是如何產(chǎn)生簡單有效的振動；另外，在大力矩超聲電機中如何考慮轉(zhuǎn)子對振動體的影響也是一個難題。

壓電學中的一個重要研究內(nèi)容就是如何得到無鉛的壓電材料。壓電材料種類很多，目前廣泛采用的壓電陶瓷為鋯鈦酸鉛，含鉛，對環(huán)境有污染。但因為這種材料性能優(yōu)良價格低廉，目前其他壓電材料無法相比。因此找到無鉛的、能夠替代目前采用的壓電陶瓷是當務之急。

摩擦學方面，目前大多數(shù)應用的超聲電機都是摩擦驅(qū)動型。而在超聲振動條件下，接觸面上摩擦的現(xiàn)象還需要深入研究。作為超聲電機驅(qū)動機理研究中最為關注的超聲振動對接觸界面摩擦特性的影響被列為一萬個科學難題之一。

電子學中的主要研究內(nèi)容就是要得到低成本的智能控制系統(tǒng)。超聲電機只有在高性能的驅(qū)動電路系統(tǒng)的配合下，才能顯示出它的市場競爭優(yōu)勢來。

超聲電機的研究方興未艾，目前成本較高是限制其廣泛應用的主要瓶頸之一。而我們期待著，隨著科學技術的發(fā)展，超聲電機的制造成本會逐步降低，在越來越多的地方發(fā)揮它的作用。