英文：ultrasonic motor

由于激振元件為壓電陶瓷，所以也稱(chēng)為壓電馬達(dá)。80年代中期發(fā)展起來(lái)的超聲波電機(jī)(Ultrasonic motor，USM)是基于功能陶瓷的超聲波頻率的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的新型驅(qū)動(dòng)器。超聲電機(jī)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，由電機(jī)本體和控制驅(qū)動(dòng)電路兩部分組成。產(chǎn)品涉及到振動(dòng)學(xué)、波動(dòng)學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)、電子科學(xué)、計(jì)算技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。超聲波電動(dòng)機(jī)打破了由電磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的傳統(tǒng)電機(jī)的概念。

與傳統(tǒng)電機(jī)相比，它具有以下特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)：低速大力矩輸出；功率密度高；起停控制性好；可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)；可實(shí)現(xiàn)精確定位；容易制成直線移動(dòng)型馬達(dá)；噪音小：無(wú)電磁干擾亦不受電磁干擾；需使用耐磨材料(接觸型USM)和高頻電源等。但它也有自己的缺點(diǎn)，如：功率小；壽命短等。

超聲電機(jī)的兩個(gè)顯著特點(diǎn)是：1)低速大力矩輸出：2)保持力矩大，宏觀表現(xiàn)為起停控制性好。超聲電機(jī)能大力矩輸出是因?yàn)榧ふ裨捎么蠊β拭芏鹊膲弘娞沾刹牧稀Ｍ叽绲某曃㈦姍C(jī)的力矩比靜電微電機(jī)高3-4個(gè)量級(jí)：比電磁微電機(jī)高1．2個(gè)量級(jí)且輸出轉(zhuǎn)速也比其它類(lèi)型的微電機(jī)低。超聲電機(jī)的保持力矩至少是最大輸出力矩的2倍多，具有大的保持力矩是因?yàn)殡姍C(jī)的定、轉(zhuǎn)子間依靠摩擦力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)。由于以上特點(diǎn)，與超聲電機(jī)相連接的系統(tǒng)無(wú)須齒輪減速機(jī)構(gòu)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。超聲波電機(jī)有著誘人的應(yīng)用前景，成為研究的一大熱點(diǎn)。具體地說(shuō)，有以下幾方面：信息機(jī)器、光學(xué)儀器、微機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器、探測(cè)系統(tǒng)、精密加工等。超聲電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是：大力矩、小尺寸、高效率、長(zhǎng)壽命。

與傳統(tǒng)的電機(jī)不同，超聲波電機(jī)無(wú)繞組和磁極，無(wú)需通過(guò)電磁作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)力。一般由振動(dòng)體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電 機(jī)中的定子，由壓電陶瓷和金屬?gòu)椥圆牧现瞥?和移動(dòng)體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子，由彈性體和摩擦材料及塑料等制成)組成。在振動(dòng)體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時(shí)，利用逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)使定子在超聲頻段(頻率為20KHZ以上)產(chǎn)生微觀機(jī)械振動(dòng)。并將這種振動(dòng)通過(guò)共振放大和摩擦耦合變換成旋轉(zhuǎn)或直線型運(yùn)動(dòng)。

實(shí)現(xiàn)超聲波驅(qū)動(dòng)有兩個(gè)前提條件：首先，需在定子表面激勵(lì)出穩(wěn)態(tài)的質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡；其次，將定子表面質(zhì)點(diǎn)水平方向的微觀運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動(dòng)或平動(dòng)。第一個(gè)前提條件對(duì)應(yīng)著機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，利用逆壓電效應(yīng)由電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動(dòng)能：第二個(gè)前提條件對(duì)應(yīng)著運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化，往往通過(guò)定轉(zhuǎn)子間的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)，近年來(lái)亦有通過(guò)氣體或液體為中間介質(zhì)接觸為非接觸型超聲波電機(jī)，也稱(chēng)為聲懸浮超聲波電機(jī)。從超聲電機(jī)的工作原理可見(jiàn)，其正常工作離不開(kāi)兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換作用：機(jī)電轉(zhuǎn)換作用和摩擦轉(zhuǎn)換作用。機(jī)電轉(zhuǎn)換作用是指壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，即對(duì)壓電陶瓷振子加高頻振蕩電流，使它以超聲波的頻率振動(dòng)。摩擦轉(zhuǎn)換作用是指彈性體(定子與壓電陶瓷的合稱(chēng))的振動(dòng)經(jīng)過(guò)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(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。要保證大力矩輸出、止動(dòng)性好，必須滿足的條件就是有效足夠的機(jī)電轉(zhuǎn)換作用和有效穩(wěn)定的摩擦轉(zhuǎn)換作用。

超聲波電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域可概括如下：

1)航空航天領(lǐng)域

航空航天器往往處在高真空、極端溫度、強(qiáng)輻射、無(wú)法有效潤(rùn)滑等惡劣條件中，且對(duì)系統(tǒng)重量要求嚴(yán)苛，超聲馬達(dá)是其中驅(qū)動(dòng)器的最佳選擇。

2)精密儀器儀表電磁馬達(dá)用齒輪箱減速來(lái)增大力矩，由于存在齒輪間隙和回程誤差，難以達(dá)到很高定位精度，而超聲馬達(dá)可直接實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，且響應(yīng)快、控制特性好，可用于精密儀器儀表。

3)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)

用超聲電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，可將關(guān)節(jié)的固定部分和運(yùn)動(dòng)部分分別與超聲馬達(dá)的定、轉(zhuǎn)子作為一體，使整個(gè)機(jī)構(gòu)非常緊湊。日本開(kāi)發(fā)出球型超聲電動(dòng)機(jī)，為多自由度機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)解決了諸多的難題。

4)微型機(jī)械技術(shù)中的微驅(qū)動(dòng)器

微型電機(jī)作為微型機(jī)械的核心，是微型機(jī)械發(fā)展水平的重要標(biāo)志。微電子機(jī)械系統(tǒng)(micro electronic mechanical systems，縮寫(xiě)MEMS)的制造研發(fā)中，其電機(jī)多是毫米級(jí)的。醫(yī)療領(lǐng)域是微機(jī)械技術(shù)運(yùn)用最具代表性的領(lǐng)域之一，超聲電機(jī)在手術(shù)機(jī)器人和外科手術(shù)器械上已得到應(yīng)用。

5)電磁干擾很強(qiáng)或不允許產(chǎn)生電磁干擾的場(chǎng)合

在核磁共振環(huán)境下和磁懸浮列車(chē)運(yùn)行的條件下，電磁電機(jī)不能正常工作，超聲馬達(dá)卻能勝任。