設備用的超聲波電機的工作原理及特點和優點

超聲波電機（Ultrasonic motor 簡稱USM），是國內外近幾年發展起來的一種新原理電機，與傳統的電機不同，超聲波電機無繞組和磁極，無需通過電磁作用產生運動力，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動，將材料的微觀變形通過機械共振放大和摩擦耦合轉換成轉子的宏觀運動。超聲波電機獨特的原理和獨具的特點使其在不連續工作領域將有廣闊的發展前景。

超聲波電機的工作原理
超聲波電機一般由振動體和移動體組成。振動體相當于傳統電機中的定子，由壓電陶瓷和金屬彈性材料制成；移動體相當于傳統電機中的轉子，由彈性體和摩擦材料及塑料等制成。
在振動體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時，利用逆壓電效應或電致伸縮效應使定子在超聲頻段（頻率為20KHZ以上）產生微觀機械振動。并將這種振動通過共振放大和摩擦耦合變換成旋轉或直線型運動。
實現超聲波驅動有兩個前提條件：首先，需在定子表面激勵出穩態的質點橢圓運動軌跡；其次，將定子表面質點水平方向的微觀運動轉換成轉子的宏觀運動或平動。
第一個前提條件對應著機電能量轉換，利用逆壓電效應由電能轉化成機械振動能；第二個前提條件對應著運動形式轉化，往往通過定轉子間的摩擦力來實現，近年來亦有通過氣體或液體為中間介質接觸為非接觸型超聲波電機，也稱為聲懸浮超聲波電機。
從超聲電機的工作原理可見，其正常工作離不開兩個能量轉換作用：機電轉換作用和摩擦轉換作用。機電轉換作用是指壓電陶瓷的逆壓電效應，即對壓電陶瓷振子加高頻振蕩電流，使它以超聲波的頻率振動。
摩擦轉換作用是指彈性體（定子與壓電陶瓷的合稱）的振動經過定子與轉子工作面間的摩擦作用轉化成轉子的直線運動或旋轉運動。要保證大力矩輸出、止動性好，必須滿足的條件就是有效足夠的機電轉換作用和有效穩定的摩擦轉換作用。

超聲波電機的特點
給超聲波電機輸入驅動電壓后，壓電材料產生壓電現象，同時發生的縱向延伸和橫向彎曲模式的激勵在陶瓷指尖的狹小的橢圓通道里產生二維聲波，從而產生驅動力進行直線或旋轉運動。但沒有驅動電壓的時候能夠維持一個保持力矩，不產生位移和滯后。

超聲波電機定位精確，分辨率可達1μm，精度10nm，運動速度平穩，低10μm/s，高250mm/s，標準應答時間為50～75μs，整定時間明顯優于一般伺服電動機，以0.1μm的分辨率為例，只需1～2ms，為一般伺服電動機的1/10，定位后沒有一般伺服電動機存在的晃動問題，而且超聲波電機具有重量輕，體積小，行程無限制等特點。

超聲波電機的優點
1、低速大轉矩：在超聲波電機中，超聲振動的振幅一般不超過幾微米，振動速度只有幾厘米每秒到幾米每秒。無滑動時轉子的速度由振動速度決定，因此電機的轉速一般很低，每分鐘只有十幾轉到幾百轉。

2、體積小、重量輕：超聲波電機不用線圈，也沒有磁鐵，結構相對簡單，與普通電機相比，在輸出轉矩相同的情況下，可以做的更小、更輕、更博。

3、反應速度快，控制特性好：超聲波電機靠摩擦力驅動，移動體的質量較輕，慣性小，響應速度快，起動和停止時間為毫秒量級。因此它可以實現高精度速度控制和位置控制。

4、無電磁干擾：超聲波電機沒有磁極，因此不受電磁感應影響。同時，它對外界也不產生電磁干擾，特別適合強磁場下的工作環境。在對EMI（電磁干擾）要求嚴格的環境下，采用超聲波電機也很合適。

5、停止時具有保持力矩：超聲波電動機的轉子和定子總是緊密接觸，切斷電源后，由于靜摩擦力的作用，不采用剎車裝置仍有很大保持力矩，尤其適合航天工業失重環境下的運行。

6、形式靈活，設計自由度大：超聲波電動機驅動力發生部分的結構可以根據需要靈活設計。

由于超聲波電機具有獨特優勢，目前已經在超高真空環境的半導體設備、平面平臺設備、光學纖維制動態元件制造、存儲介質制造和測試設備、生物醫藥和制藥、度量衡和超高精度的微型數控等設備中有廣泛應用。