ANSYS短柱超声波电机支撑的研究(3)
状压电电机用于照相机电子镜头自动聚焦系统中; 环状压电超声波电机用于楼宇窗
帘的自动开闭; 板状行波超声波电机用于摄像机镜头架的圆周方向扫描; 球面超声
波电机用于机器人关节; 线性超薄电机用于音响音像影像设备。在微小型超声电机的
研制方面, 日本研究人员采用先进的制造工艺研制出基于不同工作机理的上述 3 类
超声微电机的实验样机。同时日本也是当前超声波电机发展水平最高的国家, 几乎拥
有大部分发明专利。他们不仅在新型电机及新型驱动机理的研究方面颇有建树, 对诸
如摩擦效率的提高, 驱动方法的改进, 预压力对表面质点椭圆轨迹的影响等深层次
问题的研究也取得了很大的成绩[9]。
紧随日本之后，美国的密苏里大学主要从事电机工作时定子和转子之间的接触模
型以及接触力对电机寿命的影响，并同 Allied Signal Aerospace 公司合作进行行波
超声波电机加工工艺及控制技术的研究[11]
。德国 Paderbom 大学的研究小组主要从事
超声波电机振动分析和动态接触等方面的研究，如：旋转行波电机的振动分析和动态
接触问题，复合材料的动态特性以及结构的阻抗匹配研究等。英国的伯明翰大学主要从事基于谐波齿理论的超声波电机的研究，以及实现超声波电机高精度的定位控制并
探索开环的可控性。
我国虽在超声波电机的开发方面取得了进展,并有相应的样机试验成功, 但其研
究主要集中在高等院校[12]
, 主要包括清华大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学
和东南大学等。国内各研究单位的侧重点多是对国外各种超声波电机和压电驱动器的
跟踪性研究, 且力量分散, 水平参差不齐, 比较有特色成果的比较少。清华大学在超
声波电机领域首先获得了国家自然科学基金资助, 在直线箝位式微动压电电机、直线
自校正式超声波步进电机、直线压电、电流变箝位式微动电机的研究取得重要成果。
哈尔工业大学自 1991 年开始从事超声波电机的研制工作, 首次研制出新颖的三文接
触驱动式超声波电机、无轴承新型超声波电机、双定子单转子式超声波电机、双面齿
驱动的超声波行波电机、直线双向超声波驻波电机、板状双向超声波驻波电机。南京
航空航天大学将研制的行波超声波电机用于遥控自动窗帘,并在理论上对环状行波电
机的输出特性、运动平稳性、调速机理和动力传递机理进行初步的探索性研究[13]。
1.2 超声波电机的特点及应用
1.2.1 与传统电磁电机的比较
超声波电机与电磁电机有着截然不同的工作原理，与电磁电机相比呈现出以下优点:
1）能量转换过程
传统电磁电机的定、转子皆为刚体，二者之间存在气隙，无物理接触。而超声波
电机的转子直接接触，靠摩擦驱动。
2）机械特性和效率
USM 具有类似于DC 电机的机械特性，DC电机的最大效率在小转矩、高转速附近，
而USM 的最大效率在低速、大转矩附近。也就是说，DC电机适合高速运转而 USM 适合
低速运转[12]。
3）能量密度与转矩密度
同目前的小型电磁电机相比，多数 USM 的功率密度略低，但其转矩密度却是电磁
电机10倍以上，同具有大比例减速箱的电磁电机的转矩密度相当。
4）响应特性
电磁电机转速高、转矩小、转子惯量大，响应时间常大于 10ms，且随着减速箱的
增加而增大。而且由于响应慢，电机的启停角度很大，通常是转动的一部分。USM 由于转矩大、空载转速低、转子惯量不，其响应时间常小于 1ms。快速响应性极大地增
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