超聲波電機(jī)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

莊鎮(zhèn)平,杜棟乾,張貴林

（肇慶學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 肇慶　526061）

0　引言

超聲波電機(jī)是一種借助摩擦傳遞彈性超聲振動(dòng)以獲得動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu).壓電陶瓷在高頻交變電壓的作用下產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，從而激發(fā)彈性定子在超聲頻段內(nèi)的微幅振動(dòng)，利用摩擦將定子驅(qū)動(dòng)表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子（或動(dòng)子）的旋轉(zhuǎn)（或直線）運(yùn)動(dòng)[1].超聲波電機(jī)具有低速大扭矩、無噪音、斷電自鎖、快速響應(yīng)以及不受磁場干擾等特性[2].此外，其結(jié)構(gòu)的靈活性與緊湊性也符合現(xiàn)代化的微型理念.傳統(tǒng)電機(jī)受自身工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制，很難實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的微小化；而超聲波電機(jī)的出現(xiàn)讓這一切成為可能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電機(jī)的不足，因而迅速在微型器械、精密儀器、光學(xué)設(shè)備、航空航天以及武器裝備等領(lǐng)域得到應(yīng)用.隨著超聲波電機(jī)技術(shù)的成熟，其制造成本將不斷降低并實(shí)現(xiàn)廣泛的商業(yè)應(yīng)用，未來在機(jī)器人以及智能家居等領(lǐng)域都具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景.

1　超聲波電機(jī)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

1.1　超聲波電機(jī)的國外研究現(xiàn)狀[1-3]

人類首次利用彈性振動(dòng)獲得動(dòng)力的嘗試是從鐘表開始的.1961年，日本Bulova鐘表公司開始出售一種利用音叉的往復(fù)位移撥動(dòng)棘輪而獲得驅(qū)動(dòng)的手表，月誤差僅為1 min，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的世界記錄，在各國學(xué)者中引起轟動(dòng).超聲波電機(jī)的研究也就此拉開了序幕，眾多學(xué)者對其展開深入研究并取得豐碩的成果，其中最出名的是日本的指田年生.1980年，他在Vasiliev的研究基礎(chǔ)上，提出并成功制造出了駐波型壓電超聲電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.該電機(jī)使用Langevin激振器，驅(qū)動(dòng)頻率為27.8 kHz，電輸入功率為90 W，機(jī)械輸出功率為50 W，輸出扭矩為0.25 N·m，輸出轉(zhuǎn)速為2000 r/min，效率為50%.可以說，指田年生研制的這種壓電超聲電機(jī)，第1次滿足了實(shí)際應(yīng)用的需求；但由于這種電機(jī)的振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子的接觸是固定在同一位置上的，故仍存在著接觸表面上摩擦磨損嚴(yán)重的問題.

圖1　駐波型超聲波電機(jī)　

圖2　行波型超聲波電機(jī)

為了解決摩擦磨損問題，指田年生于1982年提出并制造出了另一種形式的壓電超聲電機(jī)——行波型超聲電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.這種電機(jī)實(shí)現(xiàn)了由駐波的定點(diǎn)、定時(shí)推動(dòng)轉(zhuǎn)子變成由行波連續(xù)不斷推動(dòng)轉(zhuǎn)子，從而大大降低了定子與轉(zhuǎn)子接觸表面的摩擦磨損.這種電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理正是利用定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)在周向的速度分量，通過摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng).1987年，指田年生創(chuàng)立了新生工業(yè)公司，并將自己研制的行波型超聲波電機(jī)正式作為商品進(jìn)行出售.Canon公司將其研究的環(huán)形行波超聲電機(jī)正式應(yīng)用到EOS相機(jī)鏡頭的自動(dòng)對焦系統(tǒng)中，這標(biāo)志著超聲電機(jī)開始進(jìn)入實(shí)用階段.

不難看出，上述各類超聲波電機(jī)都屬于接觸型超聲波電機(jī)，即通過定子與轉(zhuǎn)子之間的接觸摩擦傳遞動(dòng)力.摩擦作用使得定子溫度迅速上升，模態(tài)頻率發(fā)生漂移，摩擦材料磨損加劇，導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定，這也造成了超聲波電機(jī)不能長時(shí)間連續(xù)工作，且有壽命較短的缺陷.

隨著研究的深入，日本東京工業(yè)大學(xué)的上羽貞行教授帶領(lǐng)研究小組開始對非接觸型超聲波電機(jī)進(jìn)行初步研究，并提出了在定轉(zhuǎn)子間加以空氣或液體介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子非接觸式超聲電機(jī)的方案，其結(jié)構(gòu)原理分別如圖3和圖4所示.

圖3　空氣介質(zhì)的超聲波電機(jī)　

圖4　液體介質(zhì)的超聲波電機(jī)

1.2　超聲波電機(jī)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國是在20世紀(jì)80年代中后期才開始接觸超聲波電機(jī).從90年代初期，一些高校和科研所先后對超聲波電機(jī)展開研究，如清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、吉林大學(xué)、中科院長春光機(jī)所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等，并取得了豐碩的科研成果.1989年，清華大學(xué)周鐵英、董蜀湘[1]等申請了國內(nèi)首項(xiàng)關(guān)于超聲波電機(jī)的發(fā)明專利，并在微型超聲波電機(jī)領(lǐng)域取得了一系列研究成果.1995年，趙淳生院士成功研制出了環(huán)形超聲波電機(jī)，并對其工作機(jī)理以及運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型展開了深入研究.2008年，國內(nèi)首個(gè)超聲波電機(jī)的產(chǎn)學(xué)研基地在連云港建立，并在南京、西安等地建立生產(chǎn)和銷售公司，這也標(biāo)志著我國超聲波電機(jī)正式走向產(chǎn)業(yè)規(guī)范化[4].2013年12月14日晚，“嫦娥三號”成功登陸月球，南京航空航天大學(xué)研制的TRUM-30A超聲波電機(jī)正式應(yīng)用到月球探測車“玉兔”上，用于光譜儀的驅(qū)動(dòng)與控制，如圖5所示.這臺電機(jī)質(zhì)量僅為46 g，而轉(zhuǎn)矩卻達(dá)到0.12 N·m，質(zhì)量僅為同樣功能的傳統(tǒng)電機(jī)的10%.此外，TRUM-30A超聲波電機(jī)可滿足-120～180℃的工況要求，且工作不受磁場及太空輻射的影響[5].

近年來，新型的電機(jī)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)以及如何實(shí)現(xiàn)商業(yè)化等方面逐漸成為研究的熱點(diǎn)，特別是驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)方面，超聲波電機(jī)良好性能的發(fā)揮離不開高性能的驅(qū)動(dòng)控制電路.目前超聲波電機(jī)的控制策略主要有固定增益或變增益的PID控制器、自適應(yīng)控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、模糊控制器以及混合控制器等[6-9].

圖5　玉兔號月球探測車

2　超聲波電機(jī)的應(yīng)用前景

2.1　微型機(jī)器人

傳統(tǒng)機(jī)器人往往是由電磁式電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速一般較高且扭矩較小，因此需要配備繁重的減速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低速大扭矩，且1個(gè)自由度就需要1個(gè)電機(jī)，導(dǎo)致機(jī)器人體積龐大，笨重且不夠靈活.而超聲波電機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)低速大扭矩的直接驅(qū)動(dòng)，且可做成多自由度超聲波電機(jī)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)電機(jī)即可滿足多自由度關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng).這對機(jī)器人的微型化與高度靈活性提供了可能，因此超聲波電機(jī)在機(jī)器人領(lǐng)域具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景.

2.2　航空航天

超聲波電機(jī)自身不產(chǎn)生磁場亦不受磁場干擾，電磁兼容性好，因此受到了各國航天局的關(guān)注，致力于將其應(yīng)用到各種太空探測器上，以應(yīng)對惡劣的工作環(huán)境；與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)相比，超聲波電機(jī)可以輕松地勝任晝夜溫差大、太陽磁暴、大量太空輻射等環(huán)境，而且功率密度遠(yuǎn)勝于相同尺寸的電磁電機(jī).此外，超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊且靈活，易于集成化與微型化，從而可減輕探測器的體積與質(zhì)量，是未來飛行器的理想驅(qū)動(dòng)器.

2.3　生物醫(yī)學(xué)

超聲波電機(jī)具有體積小、速度快、響應(yīng)靈敏等特性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.在細(xì)胞穿刺時(shí)，醫(yī)生需要將傳感器放到細(xì)胞里面，超聲電機(jī)可以勝任這樣的高難度任務(wù).它體積小，進(jìn)出細(xì)胞速度快，細(xì)胞不會(huì)變形、破裂.另外，在醫(yī)用內(nèi)窺鏡探頭的應(yīng)用中，解決了傳統(tǒng)電機(jī)體積過大，只能采用后置電機(jī)并通過鋼絲連接驅(qū)動(dòng)探頭的問題，同時(shí)為內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的超聲診斷提供了可能.

2.4　精密儀器

傳統(tǒng)精密儀器一般都是由伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿來提供動(dòng)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(jìn)一步提高.超聲波電機(jī)的快速響應(yīng)能力則很好地解決了這一難題，位置精度可達(dá)0.01 μm.隨著超聲波電機(jī)技術(shù)的成熟以及加工工藝的改進(jìn)，未來超聲波電機(jī)將很有可能實(shí)現(xiàn)納米級的定位精度，進(jìn)一步提高精密儀器的性能，更好地服務(wù)于人類.

2.5　智能家居

超聲波電機(jī)現(xiàn)階段主要應(yīng)用于一些高端領(lǐng)域，國內(nèi)更是“足不出戶”，尚未實(shí)現(xiàn)讓超聲波電機(jī)走出實(shí)驗(yàn)室面向應(yīng)用的層面.隨著生活水平的提高，人們對物質(zhì)以及生活環(huán)境的要求將進(jìn)一步提升.眾所周知，噪聲是影響生活質(zhì)量的一大因素.如何解決噪聲問題將是未來智能家居重要的定位指標(biāo)之一，傳統(tǒng)電磁電機(jī)顯然難以勝任.超聲波電機(jī)工作頻率一般在20～100 kHz，超過人類聽覺范圍（0.02～20 kHz），因此工作過程不產(chǎn)生噪音，可應(yīng)用到智能家居以及辦公設(shè)備等領(lǐng)域，如窗簾的自動(dòng)卷簾與降簾、門窗的自動(dòng)開啟與關(guān)閉、座椅的自動(dòng)調(diào)節(jié)以及家居的快速移動(dòng)甚至機(jī)器人保姆等，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，消費(fèi)群體龐大，市場前景將不可估量.

3　結(jié)論

本文介紹了超聲波電機(jī)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并就超聲波電機(jī)的優(yōu)良特性對其應(yīng)用前景進(jìn)行分析與展望.由于超聲波電機(jī)是多個(gè)學(xué)科交叉的產(chǎn)物，所謂術(shù)業(yè)有專攻，研究人員往往不具備所需的全部學(xué)科知識，這導(dǎo)致研究力量分散，發(fā)展速度相對較慢，目前尚未建立起一套完整的理論體系.

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