1  绪论

超声波电机，Ultrasonic Motor（简称USM），是一种和传统电磁式电机有较大差异的，通过压电陶瓷的逆压电效应将超声波频段的电能转化为机械能的新型电机[1-3]。这种电机没有铜线绕组，不需要磁性元件，结构简单，更易小型化，且低速时具有大转矩，工作时安静无噪声，无电磁干扰。因此，自80年代由日本新生公司首次研制成功开始，超声波电机就受到了电机学、压电学、机械动力学、材料学、摩擦学、力学等等各个学科以及全世界众多大学和公司的广泛关注。

1。1  超声波电机发展历史简述

1。1。1  理论阶段（20世纪40年代到20世纪60年代） 

1。1。2  产品研究阶段（20世纪70年代到20世纪80年代）

1。1。3  工商业应用阶段（20世纪80年代后）

1。2  超声波电机的原理及分类

1。2。1  超声波电机的原理

不同于传统电磁式电机将电能通过磁场驱动电机转子选装，超声波电机是一种通过压电陶瓷的逆压电效应直接将电能转化为机械能的新型电机。只要在压电陶瓷上施加20kHz以上的超声波频段的电压，就会在定子表面质点上产生稳定的椭圆位移，微观质点的稳定位移使得宏观上的定子对转子施加切向的摩擦力，驱动转子旋转。

1。2。2  超声波电机的分类

根据超声波电机的驱动方式可以按照表1。1分类。

表1。1 USM以驱动方式分类

从不用的角度还可以按照其他方式来对USM进行分类。超声波电机的定转子的接触方式也有以下几种：摩擦驱动、非摩擦驱动、非接触，据此也可以将超声波电机按照这样的接触方式来区别型号。根据超声波电机的运动方式可以这样分类：直线运动、旋转运动。根据超声波电机的自由度可以这样分类：单自由度、多自由度[9]。

1。3  超声波电机的特点及应用

1。3。1  超声波电机的特点论文网

和传统的电磁式电机相比，USM具有以下优点[10-11]：

a。  低速大转矩  USM直接驱动的结构决定了其低速大转矩的特点，USM工作时的能量密度是传统电磁式电机的5倍以上，使得USM能够在要求电机体积小重量轻的场合工作，能够满足环境和转矩的双重要求。

b。  结构简单  由于其核心的原理结构是简单的，USM能够轻易地进行小型化，而不同的应用场合的不同的功能要求，就会需要不同结构来满足。USM能够被设计成各种形状和安装模式，转子也可以和USM控制系统的固件做成一体的，使整个电机性能更优。并且，简单的结构也让USM的工业化流水线生产变得方便。

c。  断电自锁  前面讲到USM是通过定子和转子之间的摩擦力直接驱动的，这就让USM断电后，能够依靠摩擦力来进行自锁，这一点让USM比传统电磁式电机少了制动闸结构，简化了电机的结构。

d。  快速响应  因为USM主要响应部件是压电陶瓷，不需要像传统电磁式电机那样建立磁场，USM的开断响应时间是毫秒级的，具有伺服电机的优点。

e。  无磁场干扰  USM不发出磁场干扰，也不受外部磁场干扰，因此能够在复杂的环境中和在要求极端精密的仪器中工作。

f。  精度高、分辨率高  压电陶瓷的振动能够做到表面振幅在微米量级，甚至纳米级，配合上前面的优点，USM具有了超高的精度和极高的分辨率，这在传统超声波电机上是很难做到的。

g。  无噪声  USM运行在20kHz的超声波频段，人耳是听不到的，并且USM结构上没有齿轮结构，这就让USM的运行很安静。