超聲電機(jī)的研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展

鄭祝堂，陳建毅

(廈門城市職業(yè)學(xué)院，福建 廈門 361008)

0 引言

超聲電機(jī)作為一種新型驅(qū)動器，是結(jié)合多學(xué)科智慧的產(chǎn)物，涉及振動學(xué)、摩擦學(xué)、動態(tài)設(shè)計、電力電子、自動控制、新材料和新工藝等學(xué)科的新技術(shù)，在20世紀(jì)得到了迅速發(fā)展。它不像傳統(tǒng)的電機(jī)那樣利用電磁的交叉力來獲得其運動和力矩。超聲電機(jī)是以壓電材料的逆壓電效應(yīng)激發(fā)定子共振為核心驅(qū)動原理，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將輸入的電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動能，激勵起定子在超聲域段內(nèi)的微幅振動，再通過定子、轉(zhuǎn)子(動子)接觸界面的摩擦作用轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(動子)做旋轉(zhuǎn)(直線)運動，將定子的振動能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子(動子)的宏觀能量輸出，實現(xiàn)對負(fù)載驅(qū)動[1-2]。

與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，超聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、小型輕量、能量密度大、響應(yīng)快(毫秒級)、定位精度高(高分辨率)、無電磁干擾、斷電自鎖、可直接驅(qū)動等諸多優(yōu)點，此外，它還具有耐低溫、耐真空等適應(yīng)太空環(huán)境工作的特點。因此，超聲電機(jī)在精密儀器、航空航天、武器裝備、機(jī)器人、醫(yī)療器械、監(jiān)控探測等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的應(yīng)用價值，已有多種超聲電機(jī)在光學(xué)儀器、照相機(jī)、生物、醫(yī)療、航天、國防等高精尖技術(shù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。例如，日本最早開發(fā)出真正達(dá)到具有商業(yè)應(yīng)用價值的超聲電機(jī)，并成功引入到商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用在相機(jī)鏡頭的自動對焦系統(tǒng)，令對焦的過程變得快速、準(zhǔn)確和接近無聲，給自動對焦系統(tǒng)帶來了巨大的變革；以色列Nanomotion公司和德國PI公司都開發(fā)出商業(yè)用途的直線超聲電機(jī)，并廣泛應(yīng)用在精密定位平臺系列產(chǎn)品，具有很高的分辨率和優(yōu)良的啟停特性，可以實現(xiàn)高運動精度和穩(wěn)定性；我國和美國都將超聲電機(jī)應(yīng)用到航天工程，美國首先將超聲電機(jī)用于火星探測儀上，我國將超聲電機(jī)用到月球巡視器上，為“嫦娥三號”、“嫦娥四號”、“嫦娥五號”的探月工作起到很重要的支撐，可滿足-120 ℃～180 ℃的工況要求和適應(yīng)月球表面環(huán)境要求，可精確地控制光譜儀等儀器，其作用很關(guān)鍵。

超聲電機(jī)涉及到機(jī)械、材料、控制和摩擦學(xué)等多門學(xué)科，是微特電機(jī)和微驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。因此，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，成功研制了多種不同驅(qū)動機(jī)理、不同結(jié)構(gòu)形式的超聲電機(jī)。本文針對直線型、旋轉(zhuǎn)型和多自由度超聲電機(jī)的驅(qū)動機(jī)理、電機(jī)的新結(jié)構(gòu)設(shè)計與開發(fā)、提升電機(jī)的輸出性能等方面的研究和所取得的新進(jìn)展進(jìn)行全面介紹和總結(jié)。

1 直線型超聲電機(jī)的研究現(xiàn)狀和動態(tài)

直線超聲電機(jī)可以直接將定子的超聲振動轉(zhuǎn)換成動子的直線運動，是超聲電機(jī)一種很重要的類型和分支。近年來，直線超聲電機(jī)發(fā)展迅速，在電機(jī)的結(jié)構(gòu)、建模仿真、樣機(jī)制造和實驗測試等多方面的研究工作都取得了新的研究成果，應(yīng)用日益顯著，尤其在精密驅(qū)動領(lǐng)域。目前，已研制出矩形板振子、V形結(jié)構(gòu)、U形結(jié)構(gòu)、T形結(jié)構(gòu)、H形結(jié)構(gòu)以及大功率夾心式縱彎復(fù)合型等多種不同結(jié)構(gòu)形式的直線超聲電機(jī)。

1.1 矩形板直線超聲電機(jī)

矩形板直線超聲電機(jī)按照定子的工作模態(tài)是復(fù)合振動模式還是單一振動模式分為復(fù)合模態(tài)型和單一模態(tài)型。其中，矩形板面內(nèi)縱彎復(fù)合模態(tài)型直線超聲電機(jī)是最早出現(xiàn)的直線超聲電機(jī)之一。早在1995年，以色列的Nanomotion公司在前蘇聯(lián)學(xué)者Bansiavichus提出的一種基于矩形薄板復(fù)合模態(tài)型直線超聲電機(jī)的基礎(chǔ)上深入研究，研制了一系列矩形板彎縱模態(tài)復(fù)合型的驅(qū)動直線超聲電機(jī)，并將其產(chǎn)業(yè)化，其電機(jī)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動原理如圖1所示[3]。

圖1 矩形板面內(nèi)縱彎復(fù)合型直線超聲電機(jī)及其工作原理示意圖

該電機(jī)利用矩形板振子的一階縱振和二階彎曲振動兩個工作模態(tài)同時被激發(fā)，一階縱振提供驅(qū)動足的法向振動位移，二階彎曲振動提供驅(qū)動足的切向振動位移，兩者在驅(qū)動足處合成一個橢圓運動從而推動動子做直線運動。為了提高電機(jī)的輸出性能，WAN Z J等[4]在矩形壓電振子的金屬彈性體開有4個對稱的孔，并設(shè)計一種具有雙驅(qū)動足矩形壓電振子；范佳麗等[5]在金屬彈性體上開有4個對稱的槽，所研制樣機(jī)的左、右運行最高空載速度分別為250 mm/s和220 mm/s，最大輸出推力為3.4 N，推重比(推力與定子質(zhì)量比值)達(dá)46；SHI Y L等[6]在矩形壓電振子增加了三角形結(jié)構(gòu)，研制多臺不同夾角的樣機(jī)，在夾角為20°時，電機(jī)的最高空載速度為98 mm/s，最大輸出推力3.2 N。

在單一模態(tài)型直線超聲電機(jī)中，工作時只需要一個工作模態(tài)被激發(fā)即可。其中，以德國 PI公司研發(fā)的一款商業(yè)用途的單模態(tài)直線超聲電機(jī)最為著名，如圖2所示[7]。該電機(jī)通過采用一整塊矩形壓電陶瓷作為振子，振子表面的電極被分為兩個區(qū)。電機(jī)工作時，當(dāng)在振子其中的任一個分區(qū)施加激勵電壓(圖2(b)中“Active”表示)、另外一個分區(qū)不施加激勵電壓(圖2(b)中“Free”表示)，則導(dǎo)致振子兩個區(qū)域的變形不一致，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生與滑塊成一定角度的直線運動軌跡，進(jìn)而推動動子(滑塊)運動。具體工作過程如下：在①狀態(tài)，振子無電壓激勵，振子無明顯變形，驅(qū)動足質(zhì)點處于平衡位置；在②狀態(tài)，振子左邊分區(qū)正電壓激勵，振子擴(kuò)張變形，驅(qū)動足質(zhì)點處于擴(kuò)張最大變形位置；在③狀態(tài)，振子無電壓激勵，振子無明顯變形，驅(qū)動足質(zhì)點回到平衡位置；在④狀態(tài)，振子左邊分區(qū)負(fù)電壓激勵，振子收縮變形，驅(qū)動足質(zhì)點處于收縮最大變形位置。反之，當(dāng)另外一個分區(qū)被單獨激勵時，則推動動子(滑塊)反向運動。該電機(jī)的最大空載速度為0.6 m/s，最小位移分辨率可達(dá)50 nm。為了提高板結(jié)構(gòu)直線超聲電機(jī)的輸出力，LIU Z等[8]提出了夾心式的矩形板結(jié)構(gòu)直線超聲電機(jī)。該電機(jī)利用矩形板的面內(nèi)一階縱振和一階彎振模態(tài)作為工作模態(tài)，實現(xiàn)電機(jī)的雙向運動，最高空載速度為504 mm/s，最大輸出推力為65 N。ZHANG B等[9]提出了一種夾心式壓電振子的L形單驅(qū)動足直線超聲電機(jī)。該電機(jī)定子由兩個相互垂直的矩形板振子構(gòu)成L 形定子，利用兩振子彎曲振動所形成的對稱和反對稱模態(tài)作為工作模態(tài)，實現(xiàn)導(dǎo)軌的正、反向運動，最高空載速度為435 mm/s，最大輸出推力達(dá)100 N，推重比為54.6。

圖2 PI公司的單模態(tài)直線超聲電機(jī)及其工作原理示意圖

1.2 V形直線超聲電機(jī)

V形直線超聲電機(jī)是一種單驅(qū)動足結(jié)構(gòu)的電機(jī)，該類型電機(jī)利用V形定子的對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)復(fù)合作為工作模態(tài)，對稱模態(tài)提供驅(qū)動足的法向振動位移，反對稱模態(tài)提供驅(qū)動足的切向振動位移。這個兩個正交的振動模態(tài)在時間上有 90°相位差時，驅(qū)動足處形成橢圓運動，驅(qū)動動子運動，如圖3所示[10]。V形直線超聲電機(jī)可分為夾心式和貼片式。夾心式定子由前端蓋、壓電陶瓷和后端蓋組成，通過高強(qiáng)度螺栓固定。貼片式定子由壓電陶瓷片和金屬基體組成，并通過環(huán)氧膠粘結(jié)在一起。

圖3 V形直線超聲電機(jī)的工作原理

早在1998年，日本學(xué)者WAKAI T等[11]利用兩個相互垂直的桿結(jié)構(gòu)蘭杰文振子設(shè)計了一種 V形直線超聲電機(jī)，該電機(jī)最高空載速度為3.5 m/s，最大推力可達(dá)51 N，推重比為17。之后，楊東等[12]利用超聲變幅桿原理來放大驅(qū)動足的振幅，設(shè)計一種具有連續(xù)變截面超聲變幅桿的V形直線超聲電機(jī)，該電機(jī)的最高空載速度為235 mm/s，最大輸出推力為21.4 N。喬木等[13]設(shè)計一種雙階梯型超聲變幅桿的V形直線超聲電機(jī)，該電機(jī)的最高空載速度為206 mm/s，最大輸出推力為10.5 N。為了改善定、動子間預(yù)壓力的作用形式，提高電機(jī)的輸出性能和穩(wěn)定性，JIAN Y等[14]采用了一種一端鉸支夾持方式的V形直線超聲電機(jī)，最高空載速度為1.4 m/s，最大輸出推力為43 N，推重比達(dá)46.7。為了使V形直線超聲電機(jī)小型化，楊模尖等[15]設(shè)計了貼片式壓電振子的V形直線超聲電機(jī)，并研究了V形定子不同夾角對輸出特性的影響，發(fā)現(xiàn)在夾角為90°時電機(jī)輸出性能最佳，最高空載速度達(dá)到784 mm/s，最大輸出力達(dá)到14 N，推重比達(dá)70。

同樣，針對直線超聲電機(jī)的小型化問題，蘇松飛等[16]提出一種基于柔性夾持技術(shù)的U形直線超聲電機(jī)。這種U形直線超聲電機(jī)和V形直線超聲電機(jī)也是一種單驅(qū)動足結(jié)構(gòu)。U形定子采用貼片式壓電振子，由兩個相互平行的梁結(jié)構(gòu)和一個拱形梁組成，頂點為驅(qū)動足，如圖4所示。該電機(jī)利用U形定子的2個正交工作模態(tài)(對稱模態(tài)和反對稱模態(tài))在其驅(qū)動足處形成有一定振幅的橢圓運動，驅(qū)動動子運動。通過對該U形電機(jī)樣機(jī)測試，在電機(jī)最佳工作頻率時，最高輸出速度470 mm/s，最大輸出推力為9 N，定子質(zhì)量25 g，推重比達(dá)36。王光慶等[17]設(shè)計一種貼片式T形定子的單驅(qū)動足直線超聲電機(jī)，如圖5所示。通過采用3個壓電雙晶復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu)，并利用PZT d31工作模式激發(fā)壓電雙晶懸臂梁產(chǎn)生縱向振動，同時激勵出模態(tài)I與模態(tài)II的工作模態(tài)，兩者復(fù)合使驅(qū)動足處形成橢圓運動，再通過驅(qū)動足與動子間的摩擦作用帶動動子作直線運動。該電機(jī)的最高輸出速度250 mm/s，最大輸出推力為7.6 N。張健等[18]提出一種貼片式H形振子結(jié)構(gòu)，利用H形振子縱彎復(fù)合振動模態(tài)使其在兩驅(qū)動足處形成橢圓運動，實現(xiàn)雙側(cè)力的輸出以及提高驅(qū)動能力。

圖4 U形定子結(jié)構(gòu)圖

圖5 T形定子結(jié)構(gòu)圖

1.3 大功率夾心式縱彎復(fù)合型直線超聲電機(jī)

大功率夾心式縱彎復(fù)合型直線超聲電機(jī)利用夾心式換能器輸出能量大的特點，以單一或多個換能器組合構(gòu)成定子，來獲得更大的輸出速度、輸出推力和輸出功率。石勝君等[19]研制了一種單驅(qū)動足的大功率縱彎復(fù)合型直線超聲電機(jī)，其定子由2個帶指數(shù)型變幅桿的夾心式換能器直線相對連接而成，中間連接部分為定子的驅(qū)動足。該電機(jī)通過定子激發(fā)出的縱振和彎振在其驅(qū)動足形成一個橢圓軌跡運動，從而驅(qū)動動子作直線運動。研制樣機(jī)的最高空載速度達(dá)1 280 mm/s，輸出推力的最大值達(dá)45 N。劉英想等[20]研制了一種雙驅(qū)動足的縱振復(fù)合直線超聲電機(jī)。通過3個換能器縱向振動的合理組合實現(xiàn)雙足直線驅(qū)動，最高空載速度達(dá)602 mm/s，輸出推力的最大值達(dá)32 N。YANG X H等[21]研制一種雙足驅(qū)動的縱彎復(fù)合型直線超聲電機(jī)，定子采用一個由2組彎振壓電陶瓷構(gòu)成的夾心式換能器結(jié)構(gòu)，如圖6所示。電機(jī)樣機(jī)的最高空載速度為560 mm/s，最大輸出推力達(dá)55 N。

圖6 夾心式縱彎復(fù)合雙足直線超聲電機(jī)的定子圖

表1列出了幾種直線型超聲電機(jī)的性能比較。可以看出，夾心式結(jié)構(gòu)直線型超聲電機(jī)的輸出推力大，貼片式結(jié)構(gòu)的直線型超聲電機(jī)有利于獲得最大推力比(輸出推力和定子質(zhì)量比值)。

表1 幾種直線型超聲電機(jī)的性能比較

2 旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的研究現(xiàn)狀和動態(tài)

旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)在外部形狀和輸出方式等方面與傳統(tǒng)電磁電機(jī)比較接近，也是超聲電機(jī)最早研究和極具代表性的一種類型，對超聲電機(jī)的驅(qū)動機(jī)理、樣機(jī)試制、材料制備、控制方法、實驗裝置等方面已經(jīng)做了大量的研究工作。目前，研制有行波型[22]、駐波型及復(fù)合型等不同驅(qū)動原理和類型的旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)。

2.1 行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)是當(dāng)前最具代表性且實際應(yīng)用最多的一類旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)。行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)驅(qū)動是連續(xù)的，通常采用圓環(huán)型壓電陶瓷片和金屬彈性體粘結(jié)而成的環(huán)形定子。其工作原理和定子的工作振動模態(tài)如圖7所示，當(dāng)在定子壓電陶瓷上施加兩路相位差為π/2的高頻驅(qū)動信號，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)在定子激發(fā)出兩相幅值相等、在時間和空間上相位差為90°的駐波，兩相駐波在定子內(nèi)疊加后形成沿某一方向傳播的彎曲行波，定子的齒狀表面的各質(zhì)點會分別形成橢圓軌跡。在定、轉(zhuǎn)子間預(yù)壓力的作用下，通過定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將定子的微觀振動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動，從而輸出功率、驅(qū)動負(fù)載。

圖7 行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的工作原理示意圖和定子的工作振動模態(tài)圖

早在1982年，日本Sashida設(shè)計并制造了最早的環(huán)形行波超聲電機(jī)，極大地減少了定轉(zhuǎn)子接觸面間的摩擦磨損，為超聲電機(jī)的發(fā)展和穩(wěn)定應(yīng)用邁出了關(guān)鍵的一步。隨后，日本Canon公司將Sashida研發(fā)的不同系列環(huán)形行波超聲電機(jī)應(yīng)用于相機(jī)的自動調(diào)焦系統(tǒng)中，這標(biāo)志著環(huán)形行波超聲電機(jī)正式進(jìn)入商業(yè)實用階段。自Sashida將環(huán)形行波超聲電機(jī)產(chǎn)業(yè)化后，這種全新概念的超聲電機(jī)逐漸吸引了越來越多研究者們的關(guān)注。1995年，我國自主研發(fā)的環(huán)形行波超聲電機(jī)在南京航空航天大學(xué)研制成功，此后又成功研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列圓板式旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)和圓桿式旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)，并不斷朝著向超聲電機(jī)產(chǎn)業(yè)化和商品化的道路邁進(jìn)。至此之后，全國各大高校研究所也展開了大量的相關(guān)研究和樣機(jī)研制，取得了一系列突破性進(jìn)展和創(chuàng)新性成果。徐志科等[23]研制了一種直徑為Φ100 mm的大直徑行波型超聲電機(jī)，該電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速50 r/min，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為3.5 N·m。陳如娟等[24]研制了一種直徑Φ10 mm的微小旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)，該微小型結(jié)構(gòu)電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速380 r/min，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩約為6.7 mN·m。王楠等[25]研制了一種圓筒型轉(zhuǎn)子的中空旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)，該中空結(jié)構(gòu)電機(jī)的外圈轉(zhuǎn)子直接完成轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，輸出空載轉(zhuǎn)速可達(dá)208 r/min，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為0.35 N·m。為了增大電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，尹育聰?shù)萚26]研制了直徑為Φ60 mm的雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和雙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的行波型超聲電機(jī)，雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速100 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為1.3 N·m；雙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速170 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為1.8 N·m，兩種結(jié)構(gòu)均能提高最大轉(zhuǎn)矩，比日本Sashida產(chǎn)業(yè)化的USR-60的0.6 N·m提高了2～3倍。董兆鵬[27]研制了一種雙諧振環(huán)形行波超聲電機(jī)，利用雙振子(振動的定子和振動的轉(zhuǎn)子)同時驅(qū)動，并依靠雙振子兩路行波振型能量在接觸面的疊加達(dá)到提升電機(jī)性能的目的。通過實驗證實，雙諧振電機(jī)雙驅(qū)動的最大輸出轉(zhuǎn)速為48.1 r/min；最大轉(zhuǎn)矩為0.83 N·m，最大功率為1.52 W，分別是單驅(qū)動定子的1.59倍、1.28倍、1.62倍。LU X L等[28]研制一種4個彎振蘭杰文振子激勵的雙定子環(huán)型旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)，樣機(jī)的空載轉(zhuǎn)速為120 r/min，堵轉(zhuǎn)力矩為1.6 N·m。劉英想等[29]研制了一種4個縱振夾心換能器式圓筒型行波超聲電機(jī)，通過4個周向均布的縱振夾心換能器實現(xiàn)了帶有驅(qū)動齒的圓筒型定子中彎曲行波振動的激勵，該電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速為110 r/min，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為0.5 N·m。蘆小龍[30]研制一種4個彎振蘭杰文振子面內(nèi)彎振模態(tài)的雙錐面型超聲電機(jī)，通過4個周向均布的彎振子激發(fā)定子的面內(nèi)彎曲振動模態(tài)，該樣機(jī)的空載轉(zhuǎn)速為100 r/min，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩約為0.3 N·m，最大輸出功率0.82 W。

2.2 駐波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)

第二類旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)是駐波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其驅(qū)動是間斷的，通常采用機(jī)電轉(zhuǎn)換能力高的夾心式壓電振子，可以帶動大負(fù)載。日本學(xué)者SASHIDA T[31]在1982年研制了性能滿足實際使用要求的楔形振動片式駐波超聲電機(jī)，樣機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩0.25 N·m，機(jī)械輸出功率為50 W，效率可達(dá)55%。這種駐波超聲電機(jī)驅(qū)動機(jī)理的示意圖如圖8所示，通過夾心式換能器產(chǎn)生縱向振動，帶動定子的楔形振動片縱向振動，同時縱振使其端面與轉(zhuǎn)子間斷的作用，并使振動片產(chǎn)生彎振，兩個振動使振動片的頂端形成沿橢圓軌跡的運動，并通過振動片與轉(zhuǎn)子之間摩擦作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。

圖8 駐波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)驅(qū)動機(jī)理示意圖

之后，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)一步開展相關(guān)研究。許蘆君等[32-33]對單振動片式以及多振動片駐波超聲電機(jī)進(jìn)行了研究，對比了不同傾角振動片對電機(jī)樣機(jī)輸出特性的影響。邵培革等[34]研制一種直徑為Φ10 mm縱彎式微超聲電機(jī)，輸出轉(zhuǎn)速可達(dá)300 r/min，輸出力矩為6.25 mN·m，其最大輸出效率為5.9%。沈潤杰等[35]研制了一種直徑為Φ10 mm微型斜齒超聲電機(jī)，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速840 r/min，堵轉(zhuǎn)力矩為10 mN·m。謝天等[36]提出了一種扇形齒-凹槽結(jié)構(gòu)的雙轉(zhuǎn)子駐波型超聲電機(jī)，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速可達(dá)475 r/min。日本的TSUJINO J等[37]在1992年提出一種斜槽式結(jié)構(gòu)的駐波超聲電機(jī)，利用斜槽式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)振子的縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行了大量的研究，研制不同直徑Φ15 mm、Φ40 mm、Φ50 mm和Φ60 mm的樣機(jī)，獲得0.3 N·m、11 N·m、17 N·m和23 N·m的輸出轉(zhuǎn)矩。SHENG M W等[38]研制出一種雙轉(zhuǎn)子斜槽式的縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲電機(jī)，電機(jī)的最大空載轉(zhuǎn)速為30 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為1.8 N·m。楊淋等[39]研制一種新型孔式的縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲電機(jī)，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速可達(dá)1 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為0.15 N·m。楊淋等[40]研究斜槽式超聲電機(jī)在各種類型摩擦副下的負(fù)載特性，實際研制的直徑Φ15 mm樣機(jī)，最大轉(zhuǎn)矩為0.32 N·m，空載轉(zhuǎn)速最高達(dá)1 325 r/min，效率最高可達(dá)32.3%。陳建毅等[41-42]研究不同斜槽式結(jié)構(gòu)參數(shù)對超聲電機(jī)的輸出特性影響，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速最大為250 r/min。

2.3 縱扭復(fù)合型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)

縱扭復(fù)合型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩/體積比大的特點，也是旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)一個重要類型，浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)等高校進(jìn)行了相關(guān)的研究。縱扭復(fù)合型超聲電機(jī)采用圖9所示的夾心式換能器結(jié)構(gòu)定子，縱振壓電陶瓷片和扭振壓電陶瓷片被安置在定子之中，從而同時激發(fā)定子的縱向振動和扭轉(zhuǎn)振動，在縱向振動和扭轉(zhuǎn)振動共同作用使定子頂端面任一質(zhì)點作橢圓運動，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)輸出。

圖9 縱扭復(fù)合型超聲電機(jī)的夾心式換能器結(jié)構(gòu)定子示意圖

趙衡兵等[43]從大轉(zhuǎn)矩入手，研制的一臺直徑為Φ80 mm的縱扭復(fù)合型超聲電機(jī)，其空載轉(zhuǎn)速為12 r/min，最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達(dá)到13 N·m。楊淋等[44]研制一種雙轉(zhuǎn)子縱扭復(fù)合型超聲電機(jī)，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速為53 r/min，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達(dá)到1.28 N·m，最高效率為14%，最大輸出功率為3.55 W。YANG L等[45]研制了一種貼片式的縱扭復(fù)合型超聲電機(jī)，如圖10所示。該電機(jī)通過一階縱向振動和二階扭轉(zhuǎn)振動復(fù)合實現(xiàn)驅(qū)動轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動，最高空載轉(zhuǎn)速為405 r/min，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為20 mN·m。

圖10 貼片式的縱扭復(fù)合型超聲電機(jī)

3 結(jié)語

超聲電機(jī)的工作原理獨特，并且壓電陶瓷的極化和激勵具有多樣性，振子的振動模式也具有多樣性，因而可以組合構(gòu)造出多種不同結(jié)構(gòu)形式以及結(jié)構(gòu)靈活的超聲電機(jī)。在國外，日本和歐美等發(fā)達(dá)國家的超聲電機(jī)已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并有成熟產(chǎn)品用于照相機(jī)、精密定位平臺、航天等高新科技領(lǐng)域。近年來，我國超聲電機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，在科學(xué)理論和應(yīng)用層面都取得了豐碩的研究成果，處于世界的先進(jìn)水平。從當(dāng)前的研究進(jìn)展來看，隨著精密工程、醫(yī)療器械及生物技術(shù)等高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)ξ⑿⌒碗姍C(jī)的需求越來越多，今后可考慮在高位移精度的直線型超聲電機(jī)、大轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比的高性能旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)等發(fā)展方向開展重點研究。相信經(jīng)過產(chǎn)業(yè)化、商品化研制，超聲電機(jī)將會廣泛應(yīng)用在精密機(jī)械裝備、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、監(jiān)控探測等諸多領(lǐng)域，對人類生活產(chǎn)生重要的影響。