设备用的超声波电机的工作原理及特点和优点

超声波电机（Ultrasonic motor 简称USM），是国内外近几年发展起来的一种新原理电机，与传统的电机不同，超声波电机无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力，而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。超声波电机独特的原理和独具的特点使其在不连续工作领域将有广阔的发展前景。

超声波电机的工作原理
超声波电机一般由振动体和移动体组成。振动体相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成；移动体相当于传统电机中的转子，由弹性体和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（频率为20KHZ以上）产生微观机械振动。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。
实现超声波驱动有两个前提条件：首先，需在定子表面激励出稳态的质点椭圆运动轨迹；其次，将定子表面质点水平方向的微观运动转换成转子的宏观运动或平动。
第一个前提条件对应着机电能量转换，利用逆压电效应由电能转化成机械振动能；第二个前提条件对应着运动形式转化，往往通过定转子间的摩擦力来实现，近年来亦有通过气体或液体为中间介质接触为非接触型超声波电机，也称为声悬浮超声波电机。
从超声电机的工作原理可见，其正常工作离不开两个能量转换作用：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（定子与压电陶瓷的合称）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。要保证大力矩输出、止动性好，必须满足的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。

超声波电机的特点
给超声波电机输入驱动电压后，压电材料产生压电现象，同时发生的纵向延伸和横向弯曲模式的激励在陶瓷指尖的狭小的椭圆通道里产生二维声波，从而产生驱动力进行直线或旋转运动。但没有驱动电压的时候能够维持一个保持力矩，不产生位移和滞后。

超声波电机定位精确，分辨率可达1μm，精度10nm，运动速度平稳，低10μm/s，高250mm/s，标准应答时间为50～75μs，整定时间明显优于一般伺服电动机，以0.1μm的分辨率为例，只需1～2ms，为一般伺服电动机的1/10，定位后没有一般伺服电动机存在的晃动问题，而且超声波电机具有重量轻，体积小，行程无限制等特点。

超声波电机的优点
1、低速大转矩：在超声波电机中，超声振动的振幅一般不超过几微米，振动速度只有几厘米每秒到几米每秒。无滑动时转子的速度由振动速度决定，因此电机的转速一般很低，每分钟只有十几转到几百转。

2、体积小、重量轻：超声波电机不用线圈，也没有磁铁，结构相对简单，与普通电机相比，在输出转矩相同的情况下，可以做的更小、更轻、更博。

3、反应速度快，控制特性好：超声波电机靠摩擦力驱动，移动体的质量较轻，惯性小，响应速度快，起动和停止时间为毫秒量级。因此它可以实现高精度速度控制和位置控制。

4、无电磁干扰：超声波电机没有磁极，因此不受电磁感应影响。同时，它对外界也不产生电磁干扰，特别适合强磁场下的工作环境。在对EMI（电磁干扰）要求严格的环境下，采用超声波电机也很合适。

5、停止时具有保持力矩：超声波电动机的转子和定子总是紧密接触，切断电源后，由于静摩擦力的作用，不采用刹车装置仍有很大保持力矩，尤其适合航天工业失重环境下的运行。

6、形式灵活，设计自由度大：超声波电动机驱动力发生部分的结构可以根据需要灵活设计。

由于超声波电机具有独特优势，目前已经在超高真空环境的半导体设备、平面平台设备、光学纤维制动态元件制造、存储介质制造和测试设备、生物医药和制药、度量衡和超高精度的微型数控等设备中有广泛应用。