超聲波電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)usm)是一種應(yīng)用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)，把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出的新型直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。它完全不同于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，有磁極和繞組，無(wú)需通過(guò)電磁相互作用傳遞能量。usm具有功率密度大、無(wú)電磁干擾、低速大轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行無(wú)噪聲等****的特性，在非連續(xù)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域及精密控制領(lǐng)域，usm要比普通的電磁電機(jī)的性能優(yōu)越得多。usm在工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車(chē)專(zhuān)用電器、超高精度測(cè)量?jī)x器、辦公自動(dòng)化設(shè)備、智能機(jī)器人等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，倍受科技界和工業(yè)界的重視，為當(dāng)前電氣工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

    我國(guó)于90年代初開(kāi)始步入usm的研究行列，眾多高校及研究所在國(guó)家、省自然科學(xué)基金、教委博士點(diǎn)基金的資助下，開(kāi)展usm的理論及實(shí)驗(yàn)研究及開(kāi)發(fā)，已取得了一些可喜的成果。但目前在usm樣機(jī)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)方面，還缺乏深入細(xì)致的研究，這在一定程度上妨礙了我國(guó)usm產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。本文在綜合大量資料文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合本研究小組在usm設(shè)計(jì)制造方面的工作，闡述了usm的設(shè)計(jì)理論及方法，給出了usm樣機(jī)制造過(guò)程中的一些技術(shù)要求及關(guān)鍵技術(shù)。

     usm與傳統(tǒng)的電機(jī)不同，無(wú)繞組和磁極，無(wú)需通過(guò)電磁作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)力。它一般由振動(dòng)體（相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)中的定子，由壓電陶瓷和金屬?gòu)椥圆牧现瞥桑┖鸵苿?dòng)體（相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子，由摩擦材料及塑料等制成）組成。在振動(dòng)體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時(shí)，利用逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生幾十千赫的超聲波振動(dòng)，將這種振動(dòng)通過(guò)振動(dòng)體與移動(dòng)體間的摩擦耦合，變換成旋轉(zhuǎn)或直線型運(yùn)動(dòng)。圖1為環(huán)狀行波型usm的基本原理圖，定轉(zhuǎn)子由軸向力壓在一起，定子壓電陶瓷元件的排布如圖2所示，其中b區(qū)振子在空間上與a區(qū)振子間隔1/4波長(zhǎng)(a/4)。當(dāng)a區(qū)振子加正弦激勵(lì)信號(hào)b區(qū)振子時(shí)，在空間上可產(chǎn)生行波，使定子表面上的點(diǎn)作與波傳送方向相反的橢圓運(yùn)動(dòng)，如圖1所示[1]。

    如果將一移動(dòng)體（轉(zhuǎn)子）壓在振動(dòng)體（定子）上，則兩者僅在波峰點(diǎn)接觸，受摩擦力的作用，移動(dòng)體向行進(jìn)波的反方向移動(dòng)。依靠行波驅(qū)動(dòng)方式可連續(xù)地對(duì)移動(dòng)體施加驅(qū)動(dòng)力，改變波的方向，即可改變移動(dòng)體移動(dòng)（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)）方向。

    usm雖然經(jīng)歷了十幾年的研究和發(fā)展，但仍有許多有關(guān)其性能的理論問(wèn)題尚未解決。不像電磁電機(jī)，usm的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)非常有限，還未建立起系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與方法。

    實(shí)際上，為推動(dòng)usm的實(shí)際應(yīng)用，完全有必要確立一套u(yù)sm的設(shè)計(jì)方法，以便預(yù)估usm的負(fù)載特性，同時(shí)對(duì)usm的運(yùn)行特性進(jìn)行必要的分析。在討論設(shè)計(jì)之前，要從理論上和實(shí)驗(yàn)上研究電機(jī)的基本性能。由于usm定轉(zhuǎn)子間相互作用的復(fù)雜性和其本身固有的非線性，很難對(duì)其進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)分析。目前的設(shè)計(jì)多是基于usm的等效電路及簡(jiǎn)化模型的分析基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的試驗(yàn)研究進(jìn)行的。 

  

    首先需要構(gòu)造usm振子的機(jī)電轉(zhuǎn)化等效電路，建立usm定轉(zhuǎn)子接觸的簡(jiǎn)化模型，然后通過(guò)對(duì)等效電路和簡(jiǎn)化模型的分祈，求取各量之間的關(guān)系，利用實(shí)驗(yàn)確定等效電路中的參數(shù)。在獲得了等效電路參數(shù)后，就可以利用等效電路解釋usm的輸入輸出特性，分析和預(yù)估電機(jī)的性能，直接為usm的設(shè)計(jì)服務(wù)（因?yàn)閡sm的設(shè)計(jì)也是基于同一等效電路和簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上的）。

    對(duì)于環(huán)形行波型usm，設(shè)計(jì)時(shí)需明確電機(jī)所要達(dá)到的特性及尺寸要求，如空載轉(zhuǎn)速、****轉(zhuǎn)矩、振子驅(qū)動(dòng)半徑等，通過(guò)設(shè)計(jì)得到振予尺寸及加在轉(zhuǎn)子上的靜態(tài)力（預(yù)壓力）。設(shè)計(jì)中，定子齒槽的深度、定子彈性體厚度和預(yù)壓力作為設(shè)計(jì)變量，以振子的機(jī)電轉(zhuǎn)化效率為目標(biāo)函數(shù)。設(shè)計(jì)步驟為[3]：

    (1)給出設(shè)計(jì)要求：usm的空載轉(zhuǎn)速，****輸出轉(zhuǎn)矩，振子驅(qū)動(dòng)半徑。

    (2)選擇定轉(zhuǎn)子材料，給出相關(guān)參數(shù)。

    (3)由空載轉(zhuǎn)速確定振子表面質(zhì)點(diǎn)的****切向振動(dòng)速度。

    (4)由****輸出轉(zhuǎn)矩及定轉(zhuǎn)子間摩擦系數(shù)確定usm軸向預(yù)壓力。

    (5)通過(guò)等效電路模型，優(yōu)化轉(zhuǎn)子機(jī)電轉(zhuǎn)化效率，選擇定子彈性體厚度。

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