超聲電機技術(shù)詳解

電磁電機與超聲電機比較

一提到電動(dòng)機人們可能馬上想到電磁電機。從1820年奧斯特發(fā)現電磁作用，到1836年電磁電動(dòng)機應用于印刷機上，僅用了十幾年的時(shí)間。目前，電磁電機在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中都有著(zhù)廣泛的應用。電磁電機利用電磁效應把電能轉換成機械能。一個(gè)常見(jiàn)的直流電磁電機的換能部件主要由定子和轉子組成；定子產(chǎn)生一個(gè)固定的磁場(chǎng)，轉子產(chǎn)生一個(gè)可以旋轉的磁場(chǎng)；定子與轉子不接觸，而通過(guò)兩個(gè)磁場(chǎng)的相互作用驅動(dòng)轉子轉動(dòng)。普通電磁電機的特點(diǎn)是轉速快，每秒上千轉。電動(dòng)機的輸出功率是力矩乘以轉速，所以一般電磁電機的直接輸出力矩都比較小。

20世紀90年代日本佳能公司研制出一種壓電電動(dòng)機，這種電動(dòng)機的工作原理是利用逆壓電效應把電能轉換成機械能。常見(jiàn)的壓電電機也是由定子和轉子組成，但定子是由壓電材料和金屬材料組合制成，轉子是由金屬材料制成；壓電材料把電能轉換成機械振動(dòng)能，激勵定子金屬體振動(dòng)；轉子與定子相接觸，通過(guò)摩擦力，定子的振動(dòng)驅動(dòng)轉子運動(dòng)。由于定子的振動(dòng)頻率一般在大于20kHz的超聲頻段，因此人們也將壓電電機稱(chēng)為超聲電機。

早在1948年美國科學(xué)家威廉斯和布朗就申請了“超聲電機”的專(zhuān)利。隨后，很多人試圖將超聲電機的想法變成產(chǎn)品，都沒(méi)有成功。1982年日本人指田提出了一個(gè)超聲電機的設計方案；但直到1992年佳能公司才利用指田的方案制造出商業(yè)化的超聲電機，并應用于照相機中，作為鏡頭調焦的驅動(dòng)器。在此之后，許多國家都開(kāi)展了超聲電機的研究。目前超聲電機已經(jīng)廣泛應用在光學(xué)儀器、高檔轎車(chē)、精密儀器、自動(dòng)控制、航空航天等許多領(lǐng)域。

超聲電機的工作原理和工作效果與電磁電機完全不同，一個(gè)主要特點(diǎn)就是超聲電機可以得到較低轉速，因此輸出力矩較大，可以省去減速機構直接帶動(dòng)負載。除了轉速低，超聲電機還有很多其他的特點(diǎn)：：（1）因為超聲電機不使用電磁場(chǎng)作為驅動(dòng)力，因此電磁輻射小。許多情況下，不希望有電機產(chǎn)生強電磁干擾，或者在強磁場(chǎng)環(huán)境中，電磁電機的正常工作會(huì )受到影響；而超聲電機不需要做太多的電磁屏蔽處理就可以在這些條件下工作。（2）超聲電機依靠定、轉子之間的接觸摩擦作為驅動(dòng)方式，關(guān)閉電源后轉子就會(huì )馬上停止，并在摩擦力的作用下固定不動(dòng)；而步進(jìn)電磁電機若要把所驅動(dòng)的部件固定在一個(gè)位置上則需要電流來(lái)維持。（3）超聲電機的響應時(shí)間較短，一般在十幾毫秒以?xún)?。?）超聲電機沒(méi)有電磁線(xiàn)圈，可以不用銅材，節省原料造價(jià)。（5）超聲電機的轉速可以通過(guò)改變驅動(dòng)頻率進(jìn)行調節，比較靈活。（6）超聲電機與電磁電機相比，還有一個(gè)最大的優(yōu)勢就是在小尺寸時(shí)，電磁電機的效率急劇降低，并且很難制作出直徑在1mm量級的電磁電機，而超聲電機在很小尺寸上都可以有效工作。

各種各樣的超聲電機

超聲電機的工作原理，是把特殊形式的振動(dòng)通過(guò)摩擦力轉換成轉動(dòng)或平動(dòng)。根據振動(dòng)體的不同形式，可以制作出多種多樣的超聲電機。日本佳能相機中應用的超聲電機就有兩種。一種是環(huán)式電機，另一種是棒式電機。

環(huán)式電機的定子振動(dòng)體和壓在其上的轉子都是圓環(huán)形薄片（圖1）。電機工作時(shí)，在定子圓環(huán)上產(chǎn)生的是彎曲振動(dòng)的行波。行波是沿著(zhù)圓環(huán)的周向行進(jìn)，圓環(huán)表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡是橢圓形。表面質(zhì)點(diǎn)在波峰處，位移有一個(gè)平行于靜止圓環(huán)的分量，這個(gè)分量通過(guò)摩擦驅動(dòng)了與之接觸的環(huán)形轉子[圖1（b）]。轉子的中間放置鏡頭，轉子的轉動(dòng)可以通過(guò)適當的機構轉換成鏡頭的直線(xiàn)運動(dòng)，以達到調焦的目的。由于這種環(huán)式超聲電機是利用行波進(jìn)行驅動(dòng)，所以也稱(chēng)為行波超聲電機。

圖1  行波超聲電機工作原理

把轉動(dòng)轉換成直線(xiàn)運動(dòng)的方式很多，如圖2所示，轉子上連接一個(gè)圓筒，圓筒的側壁上開(kāi)有斜槽，圓筒的中間放置鏡頭筒，鏡頭筒的外壁上固定有銷(xiāo)釘，銷(xiāo)釘插在斜槽中。當轉子轉動(dòng)時(shí)，斜槽推動(dòng)銷(xiāo)釘使鏡頭筒產(chǎn)生直線(xiàn)運動(dòng)。

圖2  轉動(dòng)轉換成直線(xiàn)運動(dòng)

環(huán)形行波超聲電機的輸出力矩一般不大。要得到較大力矩的行波超聲電機，定子和轉子都采用圓盤(pán)形，轉子的中間和輸出力矩的軸相聯(lián)。定、轉子的相互作用發(fā)生在圓盤(pán)的邊緣處。

佳能相機中，棒式超聲電機的工作方式有些像呼啦圈。定子是圓柱形。振動(dòng)時(shí)，圓柱的軸線(xiàn)發(fā)生彎曲，這時(shí)定子端面上只有一個(gè)點(diǎn)與轉子相接觸（圖2）。改變圓柱彎曲的方向，接觸點(diǎn)的位置也改變。如果讓接觸點(diǎn)繞原軸線(xiàn)旋轉，與定子相接觸的轉子被摩擦力驅動(dòng)隨著(zhù)接觸點(diǎn)發(fā)生轉動(dòng)。與呼啦圈類(lèi)比，人的腰部對應于定子端面上的接觸點(diǎn)，轉子對應于圓圈。由于這種棒式超聲電機的定子是做彎曲旋轉運動(dòng)，所以也被稱(chēng)為彎曲旋轉超聲電機，工作原理見(jiàn)圖3。

圖3  彎曲旋轉超聲電機工作原理圖

（a）定、轉子結構示意圖

（b）分出4個(gè)電極對的壓電陶瓷片

（c）定子激振原理圖

棒式超聲電機可以做得很小。目前最細的超聲電機直徑約為0.8mm，長(cháng)度約為6mm。定子也采取彎曲旋轉的形式運動(dòng)。轉速可以從300轉/秒到3000轉/秒之間變化。這種微型超聲電機可以用作內窺鏡的掃描驅動(dòng)器。

棒式超聲電機除了有彎曲旋轉型，還有扭縱型。扭縱型電機沿著(zhù)軸線(xiàn)縱振動(dòng)，同時(shí)圍繞軸線(xiàn)扭轉振動(dòng)?？v振動(dòng)使定、轉子之間交替分離和接觸。在扭轉振動(dòng)的前半個(gè)周期，定子與轉子接觸，通過(guò)摩擦驅動(dòng)它向一個(gè)方向轉動(dòng)；扭轉振動(dòng)的后半個(gè)周期，定子反方向扭動(dòng)，但此時(shí)定、轉子恰呈分離狀態(tài)，轉子不會(huì )反方向運動(dòng)。每個(gè)周期都重復該過(guò)程，轉子就能保持向同一個(gè)方向旋轉。扭縱超聲電機的輸出力矩可以很大，目前能達到40牛米。由于這種電機要產(chǎn)生兩種振動(dòng)，根據設計規律就要求軸向尺寸很大，因而限制了它的應用范圍。

一種大力矩行波超聲電機可以彌補扭縱超聲電機在尺寸上的不足。在普通的圓盤(pán)行波超聲電機中，定子和轉子都是懸臂梁結構，圓盤(pán)的中間是支撐處。因為超聲電機是靠摩擦力產(chǎn)生輸出力矩，因此要得到大力矩，可以增加定、轉子之間的壓力。但這會(huì )引起定子和轉子的較大變形，而在設計時(shí)很難確定兩個(gè)變形，因此不容易設計出較好的結構，得到大力矩。新型大力矩行波超聲電機中，把振動(dòng)體作為轉子，把外殼作為定子，這樣就只有轉子是懸臂梁，改善了受力結構，使得設計上比較容易實(shí)現大力矩輸出。大力矩行波超聲電機的形狀為圓盤(pán)形，厚度約為40mm，輸出的力矩可以驅動(dòng)小轎車(chē)的車(chē)窗玻璃。目前，這種超聲電機的輸出力矩可以達到8牛米。

目前世界上手機的擁有量非常巨大，并且大多數手機都帶有照相功能。我們知道光學(xué)變焦的分辨率要高于數碼變焦，但是帶光學(xué)變焦的手機相機卻很少見(jiàn)，主要是因為沒(méi)有適用于驅動(dòng)鏡頭變焦的電機。雖然佳能公司的兩種超聲電機已經(jīng)很成功地應用在照相機的調焦機構中，但他們尺寸都很難再減小。而電磁電機在小尺寸時(shí)效率很低，耗電量急劇增加，無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。

為解決手機光學(xué)調焦的難題，一種螺母型超聲電機應運而生。這種電機的定子為螺母型，用空心螺桿作轉子，螺桿中空處放置鏡頭（圖4）。在定子的內壁上產(chǎn)生的是垂直于內壁振動(dòng)的環(huán)繞行波，與圓環(huán)行波超聲電機相類(lèi)似，行波波峰的運動(dòng)驅動(dòng)轉子螺桿轉動(dòng)；螺紋驅動(dòng)螺桿做直線(xiàn)運動(dòng)，實(shí)現調焦。這種電機除了具有超聲電機的一般優(yōu)點(diǎn)外，還具有省電、體積小和抗震等優(yōu)點(diǎn)。螺母型超聲電機有望在近期應用于手機相機的光學(xué)調焦機構中。

圖4  螺母型超聲電機結構示意圖

根據超聲電機的工作原理，超聲電機還可以制作出許多不同的形式。例如，超聲電機可以很容易實(shí)現直線(xiàn)運動(dòng)；還可以實(shí)現多自由度運動(dòng)。多自由度超聲電機的轉子是一個(gè)圓球，轉子上可以放置多個(gè)環(huán)形定子，每一個(gè)定子的軸線(xiàn)就是一個(gè)轉動(dòng)軸，因此可以有多個(gè)轉動(dòng)方向。另外，超聲電機的轉速既可以很慢，也可以很快，非接觸式高速超聲電機可以達到每分鐘上萬(wàn)轉。

振動(dòng)的形成

超聲電機需要有振動(dòng)源，一般采用壓電陶瓷，把電能轉換成機械能。壓電材料有一個(gè)極化方向。如果在壓電材料的極化方向上加電壓時(shí)，當電場(chǎng)方向與極化方向一致或相反時(shí)，壓電材料會(huì )在極化方向上發(fā)生伸長(cháng)或縮短變形；如果在垂直于極化方向上加電壓，就會(huì )產(chǎn)生剪切變形。

當電壓方向交替變化時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生交變的機械變形，即發(fā)生機械振動(dòng)。振動(dòng)的頻率是和交流電的頻率一致的。電機的機械振動(dòng)頻率在超聲頻段，因此超聲電機需要一個(gè)超聲頻段的交流電源。適當設計定子的結構就可以得到需要的振動(dòng)形式。例如，如圖1（b）所示，要在環(huán)形行波超聲電機的圓環(huán)表面上產(chǎn)生行波，可以把壓電陶瓷片與金屬圓環(huán)粘在一起；壓電陶瓷片是在厚度方向上進(jìn)行極化，兩面上涂有銀電極，沿著(zhù)周向上分成許多對電極；當在厚度方向上加電壓時(shí)，壓電片在厚度上發(fā)生變形，同時(shí)根據彈性原理，在周向上也會(huì )發(fā)生變形。每對電極上加交變電壓，使陶瓷片在周向上交變伸長(cháng)和縮短。因為金屬環(huán)和陶瓷片粘接在一起，因此金屬環(huán)也交替發(fā)生伸長(cháng)和縮短變形。如果電壓交變頻率與定子的振動(dòng)模態(tài)頻率一致，就會(huì )激勵出相應模態(tài)的駐波振動(dòng)。我們知道兩個(gè)駐波可以形成一個(gè)行波，如果讓相鄰兩對電極在空間和時(shí)間相位上都相差π/2，就可以激勵出行波。

于此相類(lèi)似，螺母型超聲電機是在螺母型定子外壁粘上壓電陶瓷片，每一個(gè)壓電片上按適當的時(shí)序加電后，可以在螺母內壁產(chǎn)生行波。

佳能相機中的棒式超聲電機的定子是兩個(gè)金屬圓環(huán)中間夾著(zhù)壓電陶瓷圓環(huán)組成，環(huán)的中心穿有螺栓把它們聯(lián)在一起。壓電環(huán)沿著(zhù)周向分成4對電極，如圖3（b）。加在相鄰兩個(gè)對電極上的電信號相差1/4周期，這樣，在一個(gè)方向上，相對的兩對電極上的電壓相差1/2周期，在另外一個(gè)垂直方向上，相對的兩對電極上的電壓為零。如圖3（c）所示，在y方向上對稱(chēng)的兩對電極上加的電壓相位相差1/2周期，一側產(chǎn)生壓縮變形，另一側就產(chǎn)生伸長(cháng)變形，整個(gè)定子柱就會(huì )向負y方向發(fā)生彎曲，而在x方向上沒(méi)有發(fā)生變形。在1/4周期時(shí)間后，y方向上處于平衡位置，定子柱向正x方向彎曲。順序改變電信號，可以使彎曲的方向依次變化，產(chǎn)生旋轉的效果。

扭縱超聲電機也是棒式電機。它的定子是由兩個(gè)金屬圓環(huán)中間夾著(zhù)兩組壓電陶瓷圓環(huán)組成，見(jiàn)圖5。一組壓電環(huán)沿著(zhù)厚度方向極化，用于產(chǎn)生軸線(xiàn)的縱振；另一組壓電環(huán)沿著(zhù)圓周方向極化，當在厚度方向上加電壓時(shí)會(huì )產(chǎn)生剪切變形，用于產(chǎn)生扭轉振動(dòng)。兩組壓電陶瓷片上加的電壓的頻率相同，但有一個(gè)相位差。

圖5  扭轉超聲電機定子結構

還有一類(lèi)超聲電機為振動(dòng)模態(tài)轉換型。這類(lèi)超聲電機的振動(dòng)源比較簡(jiǎn)單，一般只有單一的振動(dòng)源，復雜的振動(dòng)形式是靠結構來(lái)實(shí)現的。例如，在一個(gè)縱振棒的端部有特殊形狀的多個(gè)齒，振動(dòng)激勵這些齒做復雜的運動(dòng)，齒上壓著(zhù)的轉子就會(huì )通過(guò)摩擦力產(chǎn)生轉動(dòng)。

超聲電機研究進(jìn)展、前沿和方向

超聲電機的研究涉及超聲學(xué)，壓電學(xué)，摩擦學(xué)和電子學(xué)等多學(xué)科，非常復雜。這也是為什么超聲電機從提出想法到實(shí)用花費了近50年時(shí)間的原因之一。

超聲學(xué)中的主要問(wèn)題是如何產(chǎn)生簡(jiǎn)單有效的振動(dòng)；另外，在大力矩超聲電機中如何考慮轉子對振動(dòng)體的影響也是一個(gè)難題。

壓電學(xué)中的一個(gè)重要研究?jì)热菥褪侨绾蔚玫綗o(wú)鉛的壓電材料。壓電材料種類(lèi)很多，目前廣泛采用的壓電陶瓷為鋯鈦酸鉛，含鉛，對環(huán)境有污染。但因為這種材料性能優(yōu)良價(jià)格低廉，目前其他壓電材料無(wú)法相比。因此找到無(wú)鉛的、能夠替代目前采用的壓電陶瓷是當務(wù)之急。

摩擦學(xué)方面，目前大多數應用的超聲電機都是摩擦驅動(dòng)型。而在超聲振動(dòng)條件下，接觸面上摩擦的現象還需要深入研究。作為超聲電機驅動(dòng)機理研究中最為關(guān)注的超聲振動(dòng)對接觸界面摩擦特性的影響被列為一萬(wàn)個(gè)科學(xué)難題之一。

電子學(xué)中的主要研究?jì)热菥褪且玫降统杀镜闹悄芸刂葡到y。超聲電機只有在高性能的驅動(dòng)電路系統的配合下，才能顯示出它的市場(chǎng)競爭優(yōu)勢來(lái)。

超聲電機的研究方興未艾，目前成本較高是限制其廣泛應用的主要瓶頸之一。而我們期待著(zhù)，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲電機的制造成本會(huì )逐步降低，在越來(lái)越多的地方發(fā)揮它的作用。