超声电机的发展应用及未来.doc

赵淳生 （南京航空航天大学超声电机研究中心南京，210016） 传统的电磁型电机的发明和发展已有100多年的历史。无论在理论上、设计方法上或制造技术上，都已达到十分完善的程度。由于它的工作原理和结构的限制，难以满足当前宇宙飞船、人造卫星、飞机、导弹、汽车、机器人、精密仪器等等对电机所提出的短、小、薄、低噪声、无电磁干扰等要求。为此，世界各国都在努力研究各种新型电机。其中，二十世纪末期发展起来的超声电机（Ultrasonic Motor）算是最典型的一种。图1为一超声电机的分解图。 图1超声电机结构分解图从驱动和控制装置产生的3040kHz二个同频的超声电压分别作用于一片压电陶瓷环的A相和B相上，使陶瓷环和附在它上面的弹性园环（构成定子）产生二个同频弯曲共振模态（驻波）。对这二个同频超声电压在空间上的相位和时间上的相位进行调节，就可将这二个驻波迭加成单一的旋转模态行波，通过定子与转子间的摩擦作用即可驱使转子运动。由此可知，超声电机突破了传统的电磁电机的概念：它没有磁极绕组和磁路，不依靠电磁相互作用来转换能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将定子的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子（旋转型电机）或动子（直线型电机）的宏观运动。它与传统的电磁电机相比，具有惯性小、响应快、控制特性好、不受磁场影响且其本身也不产生磁场、运动准确等特点。特别是它具有重量轻、结构简单、噪声小、低速大扭矩以及可直接驱动负载等特性。它不需要齿轮变速机构来降低转速，避免了使用齿轮变速机构而产生的振动、冲击与噪声等问题。可以说，超声电机技术是处于当今世界高新技术之一。一、超声电机技术的发展 1973年，美国IBM公司的H.V.Barth博士首先研制成功原理性超声电机。与此同时，前苏联的V.H.Lavrinenko等人也研制出几乎与Barth相同的原理性超声电机。80年代，日本许多科学工作者致力将美国和苏联的原理性样机开发成实用的超声电机。直至80年代末90年代初期，日本的超声电机开始进入到商业应用。目前，日本在超声电机的研究和应用上都处于领先地位。它掌握着世界上大多数超声电机技术发明专利。现在几乎各知名大学和许多公司都在进行超声电机的研究和生产。其中Canon公司花费10亿日元建立了一条超声电机生产线，每月能生产2040万台超声电机。它除了供给该公司生产的照相机配套外，还提供日本其他领域使用。日本Seiko公司每年生产20万台用于手表的超声电机。还有不少公司，如Shinsei，Honda，Panasonic，Hitachi等公司都在发展和生产超声电机。日本丰田公司1998年还成立了一家子公司，专门研究和开发用于汽车上的超声电机。该子公司正在开发力矩为2Nm的超声电机，准备用作小轿车上门窗玻璃的升降装置。美国、德国、法国、英国等都不甘落后，它们己经或正在投入大批的人力、物力开发超声电机，努力追赶日本。特别是美国，仅Pennysyvania州立大学在19941998年就投入1.5亿专门从事压电材料和超声电机研究。在德国，有University of Paderborm 和Darmstadt University of Technology在研究超声电机，且 GmbH 公司的产品已用于奔驰汽车自动窗门。在英国，University of Cambridge 工程系对超声电机进行研究和开发，EMS公司已开始小批量生产。在法国，Besancon University和University of Franche Come也在开发和研究超声电机，但目前尚未见到有关产品报导。其他，如意大利、瑞士、新加坡以及南韩等国家的名牌大学都有一批人在研究和开发超声电机。 我国超声电机研究是从二十世纪九十年代开始，其中清华大学、哈尔滨工业大学、吉林工业大学、浙江大学、南京航空航天大学（以下简称南航）先后开展了超声电机的研究，取得了不少的研究成果，但到目前为止，尚未进入商业应用。 作者曾于19921994年在美国麻省理工学院（MIT）作访问教授时，参与了该校航空航天系、计算机与电子工程系的超声电机研究工作。为了发展我国自己的超声电机技术，1994年底毅然放弃了在美国的优厚的生活和工作条件，离别了女儿和妻子，带着大量的有关超声电机的技术和资料，回到了南航。1995年春组织了以博士后、博士生、硕士生为主体的课题组，开始了超声电机的研究工作。1995年底成功地研制了首台实际能运行的环形压电行波超声电机，并于1996年1月通过中国航空总公司的技术鉴定。此后，又研制了多种旋转型超声电机和直线型超声电机。其中TRUM系列旋转型超声电机接近国际同类产品的水平，见图2。围绕 图2南航开发的TRUM系列行波超声电机 着产品开发，还开展了一系列的基础研究工作，包括超声电机的运动机理、优化设计、以及实验研究等，并受到航空科学基金、国家自然科学基金以及863国家高技术研究发展计划等的支持。1997年底南航率先正式成立了超声电机研究中心，并受国家自然科学基金委员会的委托，于1999年5月3-4日在南航主持召开了我国首次超声电机技术研讨会。来自全国三十多个单位的七十多名代表欢聚一堂，交流研究成果，共商我国发展超声电机技术策略。目前，南航和常州微特电机总厂正在共建“江苏省超声电机工程研究中心”。它将瞄准21世纪我国国民经济各个领域对超声电机技术的需求，发展我国拥有知识产权的超声电机技术，开拓出我国超声电机新产业。 二、超声电机技术的应用 由于超声电机具有许多电磁电机所没有的特点，所以，它已在照相机、手表、机器人、汽车、航空航天、精密定位仪、微型机械等领域里得到成功的应用。图3为日本Canon公司带有环型超声电机的照相机，使得该相机聚焦系统结构简单、聚焦快，噪声小。Canon公司已有37种照相机聚 图3带有超声电机的照相机 焦镜头应用了超声电机，其他Nikon，Olympus等公司的照相机也逐步在采用超声电机。日本Seiko公司研制出直径为4.5mm，厚度2.5mm和直径8mm，厚度4.5mm二种微型超声电机，如图4（a）、（b）所示。它们分别用作手表上日历驱动和振动报警，如图4（c）、（d）所示。由于超声电机能减轻机器人的重量，简化其结构，提高响应速度，世界各国研究者都正在把超声电机用于机器人。日本丰田公司已在出口到美国的汽车反光镜、方向盘和座椅头靠等都应用了超声电机。 图4超声电机及其在手表上的应用 最近几年，美国在宇宙飞船、火星探测器、导弹、核弹头等航空航天工程中都陆续应用了超声电机。图5为JPL和MIT联合研制的超声电机应用于火星探测微着陆器（Micro lander for Mars Exploration）。图5（a）为火星探测微着陆器。图5（b）为双面行波超声电机，扭矩达2.8NM，使用温度达-100。它比用传统的电磁电机降低30%的重量。NASA的Coddar Space Flight Center将超声电机应用空间机器人技术。其中微型机器手MicroArmI使用了具有力矩0.05NM的超声电机。火星机器手MarsArmII使用了三个具有力矩为0.68NM和一个具有0.11NM的超声电机。它们比使用同等功能的直流电机轻40%。 特别值得注意的是：目前计算机软盘（FD）、光盘（CD-ROM）和硬盘（HD）的磁头的直线运动是采用旋转电磁电机加上齿轮机构来实现的。在这样的传动系统中，如要使机构进一步小型化和提高运动精度是十分困难的。但如果改用直线型超声电机，就可以使传动系统变小、变薄。因此，最近几年，日本学者正在努力把直线型超声电机引到计算机上来。三、超声电机技术的未来 超声电机在国际上得到越来越多的应用。专家预言：21世纪将是超声电机大放光芒的时代，它将有可能部分取代微、小型的传统电磁电机而得到更广泛的应用。据有关方面透露：美国政府正在实施一项研究和生产计划，要在最近几年内，使美国的超声电机年产量赶上并超过日本达到10亿台以上，将可获得1000亿美元的市场。 可以预计：在21世纪，为了发展我国人造卫星、导弹、火箭、飞机、机器人、微型机械、汽车、磁浮列车以及其他精密仪器，将需要大量的、高性能的超声电机。超声电机技术的发展，必将对我国国防和其他国民经济各部门起着重大作用，例如： 21世纪，航空航天是我国重点发展的领域之一。从国外的应用的情况看，它必将应用超声电机。如纳米卫星、微型飞机、宇宙飞船和空间探测器等，应用超声电机，可以减少其重量，增强其可控性； 机器人和微型机械，也是我国21世纪重点发展的领域之一。超声电机可以使机器人和微型机械简化结构，减轻重量，增强其可控性。随着超声电机的微型化，微型机械可进入人体，如作为人造心脏的驱动器，它将会大大推动人造器官的产业化进程； 21世纪，我国将要大力发展磁浮列车。磁浮列车上的强磁场干扰，使得在磁浮列车上的传统的电磁电机工作失效，超声电机将大有可为； 未来豪华轿车上的电机之多可达80个，使汽车体积增加，电磁干扰增强。应用超声电机，由于不需齿轮箱从而大大降低其体积；由于超声电机不产生磁场而使汽车的电磁兼容性得到大大改善。汽车上的中央门锁、门窗玻璃的升降，前视镜和雨刮器等，均可用超声电机来代替传统的电磁电机； 随着掌上计算机，可视电话电视、手提式仪器等的发展，微型超声电机将可得到广泛应用。超声电机将使这些微型仪器降低重量和体积，减少其能量损耗； 由于超声电机的位置控制精度很高，可达微米级甚至纳米级。超声电机将会在一些精