1、超声波电机利用压电陶瓷的压电效应及弹性体的机械振动，通过转子与定子间的摩擦力来驱动电机转动。由于压电陶瓷的极化形式多样，弹性体的振动模式也具有多样性，可采用不同的振动模态来产生驱动力，因而可以研制出多种不同结构的超声波电机，如环型或盘型直线型球型弯扭耦合型纵扭复合型非接触型及自校正型等等。般按照使用的驱动方式的不同分为行波方式，驻波方式和电致伸缩公转子方式三种。根据输出运动的形式不同又可以分为旋转型和直线型。根据驱动位移的量级也可以分为般的超声波电机和微动超声波电机微米级和亚微米级的驱动位移。而根据输出运动自由度的个数不同可分为单自由度与多自由度。另外还可以根据定子与转子的接触形式分为接触式与非接触式。以上从不同的角度对超声波电机做了整理和分类，具体分类情况可见表。从上面的分类中可以知道超声波电机可以有很多种不同的形态。但是，从目前的搜集到的各国研究。

2、声波电机的这个驱动原理，然而由于当时压电陶瓷材料以及超声波电机理论技术的滞后，超声波电机只能是“空中楼阁”，没有得以实现。直到年代初，具有高转换效率的压电材料出现以后，再加上电力电子控制技术的发展，才逐步研制出各种各样的超声波电机。超声波电机的发展历史过程总结如下利用弹性振动获得动力的尝试是从钟表开始的。年，英国的钟表公司首次提出了用弹性体振动能量作为驱动力的理论，并研制成音叉驱动的手表，在国际上引起了轰动。年，公司的博士首先研制成功原理性超声波电机，如图.所示。该电机由个转子和两个驱动振子构成，两个振子由提供振动，其前部压置在转子上，保持摩擦接触。当振子激振时转子顺时针方向回转，当振子激振时，转子逆时针方向回转。与此同时，原苏联的等人也研制出几乎与具有相同原理的几种超声波电机，并给出了超声波电机结构简单成本低低速大转矩单位质量功率大运动精确能量转换。

3、入电源定子压电陶瓷和弹性体和转子移动体和耐磨材料组成。在压电陶瓷上加频率为几十千赫的高频交流电源，利用逆压电效应即电致伸缩效应产生几十千赫的超声波振动。然后，将这种振动通过弹性体和移动体之间的摩擦力变换成旋转或直线运动，或者直接用压电振子产生弯曲振动驱动移动体转动。如图.所示为超声波电机的工作基本原理示意图。弹性体定子压电陶瓷机械输出电信号输入高频电源移动体耐磨材料转子图.超声波电机的基本原理示意图由图可知，超声波电机是利用压电陶瓷逆压电效应原理。高频电源产生信号的频率和电机的固有频率致，形成共振，产生高频机械振动。这种振动借助定子和转子间的摩擦耦合来驱动电机运动。这就是超声波电机的基本工作原理。其能量转换可分为以下两个过程高频交流通过压电陶瓷的逆压电效应把电能转换为定子的机械能定转子之间通过摩擦耦合把定子的机械能转换为转子的机械能。.超声波电机的分。

4、.超声波电机的定义与发展历史超声波电机，简称是种新型的直接驱动型微电机，其原理完全不同于传统的电机，没有绕组与磁路，不以电磁作用传递能量，因而有很多不同于传统电机的特性。超声波电机种利用超声波振动能作为驱动源的新原理电机，是电机制造机械振动学摩擦学功能材料电子技术和自动控制等学科综合交叉发展的产物，是利用压电材料的逆压电效应,把电信号加到压电陶瓷金属构成的定子上,使定子表面的质点产生定轨迹的机械振动,驱动转子运动的新型电机。由于定子的振动频率多数处在超声频范围,所以被称为超声波电动机。超声波电机具有能量密度大响应快结构紧凑低转速大力矩不受电磁干扰断电自锁等优点。在微型机械机器人精密仪器家用电器航空航天汽车等方面有着广泛的应用前景。是世纪年代随着科学技术的发展才备受重视并得到应用的种新型直接驱动电机，其发展史却可追溯到世纪年代。世纪年代，人们就知道了超。

5、定功能的机器或领域中。日本公司将超声波电机应用于自动门风扇微动台控制台家电产品中，进步开辟并扩大其应用市场。世纪末和新世纪初，中国美国德国法国英国和其他些发达国家都开始了对超声电机的研究。最近几年来，除了日本之外，美国德国法国中国瑞士韩国土耳其和新加坡等都有超声波电机产品进入市场，在这些国家中，以美国发展得最快，应用的领域也最广经过十年的发展，美国许多单位都在进行超声波电机的研究，如麻省理工学院美国航空航天局喷射推进实验室.和等。美国些公司生产的超声波电机产品已经在航空航天半导体工业和等领域先后得到了应用。美国为了发展空间的反导弹反卫星及情报侦察系统，近几年将要发射个以上的纳米卫星质量。这种纳米卫星的核心技术之是微机械和微传感系统，包括微传感遥感器微陀螺和微驱动器。为此，美国正加速发展微型超声电机直径仅。.超声波电机的基本工作原理超声波电机般由高频输。

6、料可以发现，回旋型超声波电机是所有类型中结构较简单，用途最广泛的种，也是最有发展前途的种。最常见的有驻波型超声波电机和行波型超声波电机。驻波型超声波电机的特点是变换效率高，但旋转的方向定，结构尺寸大。行波型超声波电机的特点是结构尺寸小，旋转方向可以改变，速度和位置容易控制。表超声波电机的分类情况按驱动方式分按定转子力传递接触方式分按运动方式分按自由度分超声波电机行波型单模态型接触连续的局部面接触直线运动单自由度复合模态型连续的点线接触模态转换型断续的整个面接触驻波型单模态型断续的点线接触旋转运动多自由度复合模态型非接触空气单模态型液体.超声波电机的特点和应用超声波电机是近二十年来发展起来的种新型电机。它突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不用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来转换能量。与电磁式电机相比，超声波电机具。

7、率高等些基本特性。年，前苏联的等成功地构造了种能够驱动较大负载的超声波电机，如图.所示。图.前苏联的构造的超声波电机这种电机使用两个金属块夹持压电元件结构的超声换能器，利用振动片的纵向振动及诱发的弯曲振动，通过摩擦来使转子转动。结构上不仅能够降低了共振频率，而且放大振幅。但由于在运转条件下，电机的磨损和发热严重，很难保持振动片的恒幅振动，故也未获得实际应用。使超声波电动机真正走上实用的是日本的指田年生，在年成功制造了种振动片型超声波电动机。所用振子是用螺栓压紧的郎之万振子，种能工作在超声领域的切割式振子。振子的前端面作纵向振动，其上安装楔形的振动片，振动片前端跟圆板状的转子接触，前端的运动轨迹是个变形了的椭圆。这种超声波电动机具有高速性，无负荷速度是高效率，最大效率达寿命短，因为振动片和转子之间近乎直角的接触，两者之间接触和脱离瞬间的滑动无法解决，因。

8、相信经过工业化商品化研制，超声波电机将会使整个机械电子工业机器人计算机汽车航空航天精密仪器仪表伺服控制和人类生活产生次巨大的变革。第章超声波电机的运动机理超声波电机是借助于行波的周向传播来驱动转子转动的。行波使定子与转子相接触的表面质点沿椭圆轨迹转动，利用定子与转子接触处的摩擦力推动转子转动，这是超声波电机传动的最基本的工作原理，如图.所示。利用这个基本原理，人们制造出了各式各样的行波型超声波电机，如公司的盘形行波型超声波电机公司的环形行波型超声波电机。行波超声波电机主要由定子转子及驱动与控制装置组成。.椭圆运动的分析行波型超声波电机定子上的压电陶瓷在二相交变电压作用下，在弹性体内形成两个时空相差为的弯曲振动驻波，进而在弹性体定子内合成个沿圆环周向旋转的弯曲振动行波，行波使弹性体与运动体相接触的表面质点作椭圆运动。根据参考文献将圆环展开成直梁，定子内。

9、此产生的磨损使寿命较短。为了解决这个问题，日本的指田年生在年发明了种振动片型超声波电动机，该电机的原理利用行波在有限弹性体内传播时表面质点产生的椭圆运动，行波型超声波电动机只需改变驱动相位差即可实现正反转，而且定子转子之间是多点轮流接触，磨擦很小。行波型超声波电动机具有良好的应用前景，引起了众多大公司和大学的兴趣，争先对超声波电动机进行研究和开发，从而使超声波电动机进入大规模的实验研究和实用化开发阶段。年，佳能公司将其开发的圆环型行波超声波电机正式应用于相机自动调焦系统，实现了超声波电机的商业应用。日本在超声波电机的研究方面直处于世界领先地位。它掌握着世界上大多数超声波电机技术的发明专利。在日本，几乎各知名大学和许多公司都对超声电机进行了研究和生产。环状行波型和棒状行波型电机已大批量生产，最近种驻波型电机也已投入批量生产，主要用于工作时间短精度高及种。

10、会发生场新的技术革命。.超声波电机技术的展望超声波电机在各个领域的广泛的应用。世纪将是超声波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。超声波电机在机器人计算机汽车航空航天精密仪器仪表伺服控制等领域有广阔的应用前景，有些领域已有成功应用。如照相机调焦太空机器人中的应用精密定位装置和随动系统中的应用民用装置中的应用阀门控制扫描电子显微镜试料架的驱动机器人关节驱动核磁共振装置中的应用汽车专用电器中的应用微位移超声波电机压电直线电机。在未来发展中，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波电机。超声波电机技术的发展，必将对我国国防和其他国民经济各部门起着重大作用。超声波电机作为种新型驱动器，是种典型的机电体化产品。超声波电机正经历个从研究开发向实际应用的转折时期，。

11、弯曲行波如图.所示。设弹性体的厚度为，行波波长为，为定子周长，为定子环上驻波的波数，弯曲振动的横向位移振幅为，角频率为，那么在弹性体内中性层的行波方程为若把弹性体表面上任点设为，未弯曲时的位置设为。当弯曲角为时，从到的厚度方向的横向位移为因为弯曲振动的振幅远比弯曲振动的波长小，弯曲角也很小，所以横向位移可近似表示为同样，当弯曲角为时，从到的纵向位移为因为弯曲角可用下式表述故纵向位移近似于因此，横向位移与纵向位移间关系式为可见，上式为二次曲线椭圆轨迹方程。这就证明了弯曲行波是可以形成质点的椭圆运动轨迹的。进步分析可知它沿椭圆轨迹的逆时针方向运动，椭圆的短轴和长轴之比为。定子表面质点的纵向速度为式中负号表示定子表面质点的运动方向与行波传播方向相反。当转子与定子在行波波峰处相接触，即，若转子与定子间无滑动，转子就获得定子表面质点波峰处的纵向速度。其转子速度。

12、有如下的几个突出的优点低速大转矩体积小重量轻动态响应速度快控制特性好无电磁感应影响停止时具有保持力矩断电自锁运行无噪音形式灵活，设计自由度大可在很低的电压下工作适应环境能力强。超声波电机以其新颖的工作原理和独有的性能特点，引起人们的广泛的注意。它有着很好的应用前景。其应用领域涉及到航空航天汽车制造生物工程机器人仪器仪表医学等领域。从目前的研究情况来看，超声波电机产品可用于照相机的自动聚焦系统的驱动器航空航天领域自动驾驶仪伺服驱动器机器人或微型机械自动控制系统的驱动器高级轿车门窗和座椅靠头调节的驱动装置窗帘或百叶窗自动升降装置光盘唱头驱动装置精密仪器仪表精确定位装置医学领域，如人造心脏的驱动器人工关节驱动器强磁场环境条件下设备的驱动装置，如未来的磁浮火车不希望驱动装置产生磁场的场合，如磁通门的自动测试转台等。可以预言，随着超声波电机在工业界的成功应用，。

参考资料：

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