电磁电机与超声电机比较

提到电动机，人们或许会立刻联想到电磁电机。1820 年奥斯特发现了电磁作用，到 1836 年电磁电动机被应用于印刷机上，期间仅仅过去了十几年。如今，电磁电机在日常生活以及工业生产中都有着广泛的应用。电磁电机借助电磁效应将电能转化为机械能。常见的直流电磁电机的换能部件主要包含定子和转子。定子能产生一个固定的磁场，转子则能产生一个可旋转的磁场。定子与转子之间没有接触，而是凭借两个磁场的相互作用来驱动转子转动。普通电磁电机的特点在于转速较快，每秒可达上千转。电动机的输出功率为力矩乘以转速，因此一般电磁电机的直接输出力矩通常都比较小。

20 世纪 90 年代日本佳能公司研发出一种电动机。这种电动机的工作原理是借助逆压电效应来进行电能到机械能的转换。常见的压电电机由定子和转子构成。定子由压电材料与金属材料组合制成，转子则由金属材料制成。压电材料能将电能转换为机械振动能，以此激励定子的金属体发生振动。转子与定子相接触，凭借摩擦力，定子的振动带动转子运动。因为定子的振动频率通常处于大于的超声频段，所以人们把压电电机称作超声电机。

1992 年佳能公司才依据指田的方案制造出商业化的超声电机，并将其应用于照相机中，当作镜头调焦的驱动器。许多国家在这之后开展了超声电机的研究。目前，超声电机在光学仪器领域得到了广泛应用。目前，超声电机在高档轿车领域得到了广泛应用。目前，超声电机在精密仪器领域得到了广泛应用。目前，超声电机在自动控制领域得到了广泛应用。目前，超声电机在航空航天等许多领域得到了广泛应用。

超声电机的工作原理与电磁电机不同，工作效果也不一样。它的一个主要特点是能获得较低转速，正因如此，其输出力矩较大，能够省去减速机构而直接带动负载。除了转速低这一特点外，超声电机还有诸多其他特点：

超声电机不使用电磁场作为驱动力，所以电磁辐射小。在许多情况下，人们不希望电机产生强电磁干扰，或者在强磁场环境中，电磁电机的正常工作会受到影响。而超声电机无需进行太多电磁屏蔽处理，就能够在这些条件下工作。

超声电机以定、转子之间的接触摩擦作为驱动方式。关闭电源后，转子会立即停止，并且在摩擦力的作用下固定不动。步进电磁电机若要将所驱动的部件固定在一个位置上，就需要电流来维持。

（3）超声电机的响应时间较短，一般在十几毫秒以内。

（4）超声电机没有电磁线圈，可以不用铜材，节省原料造价。

超声电机的转速能够通过对驱动频率进行改变来实现调节，这种调节方式较为灵活。

超声电机与电磁电机相比，有一个很大的优势。在小尺寸方面，电磁电机的效率会急剧降低，而且很难制作出直径在 1mm 量级的电磁电机。然而，超声电机在很小尺寸上都能够有效工作。

各种各样的超声电机

超声电机的工作原理在于将特殊形式的振动借助摩擦力转化为转动或平动。因为振动体具有不同形式，所以能够制作出各式各样的超声电机。日本佳能相机所应用的超声电机有两种，其中一种是环式电机，另一种是棒式电机。

环式电机的定子振动体为圆环形薄片，转子压在定子振动体上，转子也为圆环形薄片（图 1）。电机工作时，定子圆环会产生弯曲振动的行波。行波沿着圆环的周向行进。圆环表面的质点振动轨迹是椭圆形。表面质点处于波峰处时，位移有一个平行于静止圆环的分量。这个分量通过摩擦驱动了与之接触的环形转子[图 1（b）]。转子中间放置着镜头，转子转动时，能够通过合适的机构转化为镜头的直线运动，从而实现调焦的目的。因为这种环式超声电机是借助行波来进行驱动的，所以它也被称作行波超声电机。

图1 行波超声电机工作原理

把转动转换为直线运动的方式有多种。如图 2 所示，在转子上连接着一个圆筒，其侧壁开有斜槽，而在圆筒中间放置着镜头筒，镜头筒的外壁固定有销钉，此销钉插入斜槽中。当转子进行转动时，斜槽会推动销钉，从而让镜头筒产生直线运动。

图2 转动转换成直线运动

环形行波超声电机的输出力矩通常不是很大。若要获得输出力矩较大的行波超声电机，定子和转子需都采用圆盘形，并且转子的中间要与输出力矩的轴相连接。定、转子的相互作用会在圆盘的边缘处产生。

佳能相机里，棒式超声电机的工作方式类似呼啦圈。定子呈圆柱形。在振动时，圆柱的轴线会弯曲，此时定子端面上仅有一个点与转子相接触（如图 2 所示）。当改变圆柱弯曲的方向，接触点的位置也会随之改变。若使接触点绕原轴线旋转，与定子相接触的转子会因摩擦力被驱动而随着接触点转动。将呼啦圈作为类比对象，人的腰部就如同定子端面上的接触点，而转子则类似于圆圈。因为这种棒式超声电机的定子是进行弯曲旋转运动的，所以它也被称作弯曲旋转超声电机，其工作原理可参见图 3。

图 3 为弯曲旋转超声电机的工作原理图。其中包括：（a）定、转子的结构示意图；（b）分出 4 个电极对的压电陶瓷片；（c）定子的激振原理图。

棒式超声电机能够制作得较为小巧。现今最为纤细的超声电机，其直径大概是 0.8mm，长度大概为 6mm。定子是以弯曲旋转的形式来进行运动的。转速能够在 300 转/秒到 3000 转/秒这个范围之间发生变化。此类微型超声电机可以被当作内窥镜的扫描驱动器来使用。

棒式超声电机有弯曲旋转型和扭纵型。扭纵型电机会沿着轴线进行纵振动，并且会围绕轴线进行扭转振动。纵振动会让定、转子之间交替出现分离和接触的情况。在扭转振动的前半个周期，定子与转子是接触的，借助摩擦来驱动它朝一个方向转动。而在扭转振动的后半个周期，定子会朝反方向扭动，不过此时定、转子恰好处于分离状态，所以转子不会朝反方向运动。每个周期都重复该过程，这样转子就能一直向同一个方向旋转。扭纵超声电机的输出力矩能够很大，目前其输出力矩可以达到 40 牛米。因为这种电机需要产生两种振动，按照设计规律就需要轴向尺寸很大，所以就限制了它的应用范围。

一种大力矩行波超声电机能够弥补扭纵超声电机在尺寸方面的欠缺。普通的圆盘行波超声电机里，定子和转子均为悬臂梁结构，圆盘的中间是其支撑处。由于超声电机是凭借摩擦力来产生输出力矩的，所以要获取大力矩的话，就可以增大定、转子之间的压力。但这会致使定子和转子出现较大的变形，然而在设计过程中很难明确这两个变形的具体情况，所以不太容易设计出较为优良的结构，进而难以获得大力矩。在新型大力矩行波超声电机里，将振动体当作转子，把外壳当作定子，如此一来只有转子是悬臂梁，对受力结构进行了改善，使得在设计方面比较容易达成大力矩输出。大力矩行波超声电机呈圆盘形，其厚度大概是 40mm，它输出的力矩能够驱动小轿车的车窗玻璃。当下，此超声电机的输出力矩能够达到 8 牛米。

目前世界上手机的拥有量极为庞大，并且大部分手机都具备照相功能。我们知晓光学变焦的分辨率比数码变焦高，然而带有光学变焦的手机相机却较为少见，主要原因是缺乏可用于驱动镜头变焦的电机。尽管佳能公司的两种超声电机已在照相机的调焦机构中获得了成功应用，但它们的尺寸都难以进一步减小。电磁电机在尺寸较小时，其效率处于很低的状态，并且耗电量会急剧上升，这样就无法达到使用的要求。

为解决手机光学调焦的难题，一种电机应运而生，这种电机是螺母型超声电机。其定子是螺母型的，转子是用空心螺杆制成的，在螺杆的中空处放置着镜头（图 4）。定子的内壁会产生垂直于内壁振动的环绕行波，这种行波与圆环行波超声电机类似，行波波峰的运动能够驱动转子螺杆转动。同时，螺纹会驱动螺杆做直线运动，从而实现调焦。这种电机具备超声电机的普遍优点，同时还具备省电的优点、体积小的优点以及抗震的优点。螺母型超声电机在近期有希望被应用到手机相机的光学调焦机构当中。

图4 螺母型超声电机结构示意图

超声电机依据其工作原理，能够制作出诸多不同的形式。其一，超声电机能够较为轻易地实现直线运动；其二，超声电机还能够实现多自由度运动。多自由度超声电机的转子呈圆球形状，在转子上能够放置多个环形定子，并且每一个定子的轴线都可作为一个转动轴，所以能够具备多个转动方向。超声电机的转速存在快慢之分。其中，非接触式高速超声电机能够达到每分钟上万转，它既可以以较慢的转速运行，也可以以很快的转速运转。

振动的形成

超声电机需要有振动源，通常会采用压电陶瓷来将电能转换成机械能。压电材料存在一个极化方向。当在压电材料的极化方向上加电压时，倘若电场方向与极化方向一致或者相反，那么压电材料就会在极化方向上出现伸长或者缩短的变形；而当在垂直于极化方向上加电压时，就会产生剪切变形。

当电压方向发生交替变化时，会产生机械变形，且这种机械变形是交变的，也就是会发生机械振动。交流电的频率与振动的频率是一致的。电机的机械振动频率处于超声频段，所以超声电机需要一个超声频段的交流电源。通过适当设计定子的结构，就能够得到所需的振动形式。如图 1（b）所示，在环形行波超声电机的圆环表面产生行波的方式为：将压电陶瓷片与金属圆环粘在一起。压电陶瓷片在厚度方向上极化，两面上涂有银电极，且沿着周向被分成许多对电极。当在厚度方向上加电压时，压电片在厚度上会发生变形，同时依据弹性原理，在周向上也会发生变形。每对电极都加上交变电压，这样陶瓷片就能在周向上交替地伸长和缩短。由于金属环与陶瓷片是粘接在一起的，所以金属环也会交替地发生伸长和缩短的变形。倘若电压的交变频率与定子的振动模态频率相一致，那么就能够激励出相应模态的驻波振动。我们了解到两个驻波能够形成一个行波，要是让相邻的两对电极在空间和时间相位上都相差π/2，就可以激励出行波。

螺母型超声电机的情况与此类似，它是在螺母型定子的外壁粘上压电陶瓷片。当给每一个压电片按适当的时序加电后，就能够在螺母的内壁产生行波。

佳能相机里的棒式超声电机，其定子由两个金属圆环以及夹在中间的压电陶瓷圆环构成。环的中心穿有螺栓，将它们联结在一起。压电环沿周向被分成 4 对电极，如图 3（b）所示。相邻两个对电极上所加的电信号相差 1/4 周期。在一个方向上，相对的两对电极上的电压相差 1/2 周期。在另一个垂直方向上，相对的两对电极上的电压为零。如图 3（c）所示，两对电极在 y 方向上对称。这两对电极上加的电压相位相差 1/2 周期。一侧会产生压缩变形，另一侧则产生伸长变形。整个定子柱会向负 y 方向弯曲，而在 x 方向上未发生变形。1/4 周期时间过后，y 方向处于平衡位置，定子柱向正 x 方向弯曲。若改变电信号的顺序，弯曲的方向会依次变化，从而产生旋转的效果。

扭纵超声电机属于棒式电机。其定子由两个金属圆环以及中间夹着的两组压电陶瓷圆环构成，如图 5 所示。其中一组压电环沿厚度方向极化，以此来产生轴线的纵振；另一组压电环则沿圆周方向极化，在厚度方向上加电压时会出现剪切变形，进而产生扭转振动。两组压电陶瓷片上所加电压的频率是相同的，不过存在一个相位差。

图5 扭转超声电机定子结构

还有一类超声电机属于振动模态转换型。这类超声电机的振动源较为简单，通常仅有单一的振动源。其复杂的振动形式是借助结构来达成的。比如，在一个纵振棒的端部存在具有特殊形状的多个齿，通过振动来激励这些齿进行复杂的运动，而压在齿上的转子会凭借摩擦力产生转动。

超声电机研究进展、前沿和方向

超声电机的研究涵盖了超声学、压电学、摩擦学和电子学等多个学科，其研究过程极为复杂。这也是超声电机从提出想法到实现实用历经近 50 年时间的原因之一。

超声学中的主要问题在于怎样产生简单且有效的振动；此外，在大力矩超声电机中，怎样考虑转子对振动体所产生的影响也是一个难题。

压电学的一个重要研究方面是怎样获取无铅的压电材料。压电材料有很多种类，现今被广泛运用的压电陶瓷是锆钛酸铅，它含有铅，会对环境造成污染。然而，由于这种材料性能良好且价格低廉，目前其他压电材料无法与之相媲美。所以，找到无铅的、能够替代当前所采用的压电陶瓷是眼下最为紧要的事情。

在摩擦学领域，目前大多数被应用的超声电机属于摩擦驱动型。在超声振动的条件下，接触面上摩擦的这种现象还需要进行深入的研究。其中，作为超声电机驱动机理研究中最为关注的内容，超声振动对接触界面摩擦特性所产生的影响，被列为一万个科学难题之一。

电子学主要研究的内容是获得低成本的智能控制系统。超声电机要显示出其市场竞争优势，就需要高性能的驱动电路系统与之配合。

超声电机的研究正在蓬勃发展。目前，其成本较高，这是限制它广泛应用的主要瓶颈之一。我们期望，随着科学技术的不断进步，超声电机的制造成本能够逐渐降低，从而在更多的地方发挥它的作用。