直线型超声波电机的研究(2)
能量进行驱动，所以能够在比较恶劣的电磁环境中工作。日本京都大学开发出了一款
用于旋转核磁共振样品的圆柱形超声波电机（如图 1-1） ，能够在7T的强磁场中正常
旋转[1]
,这是传统电机难以胜任的。由于超声波电机在精密仪表、航空航天、机器人等
领域的应用日益广泛，本课题对弯纵复合型直线超声波电机进行了研究。 图1-1 用于旋转核磁共振样品的超声波电机
直线型超声波电机用于直线运动驱动的场合，可以简化驱动器的结构，提高工作
可靠性和提高定位精度[2]
，这是研究直线型超声波电机的意义所在。弯纵复合型直线
超声波电机具有大推力、动态性能优良等特点，它的定子振动状态为弯曲振动和纵向
振动复合的形式，两种振动相位相差/2
以合成椭圆运动驱动滑块滑动，一般在弯振
和纵振波峰或波谷的位置安装驱动足，这样可以提高电机的输出效率[3]。
1．2 超声波电机特点及应用
超声波电机的工作原理与传统电磁电机截然不同，因而其特点与传统电机也有很
大区别。
（1）从能量转换过程的角度看：传统电磁电机定转子间并不接触，通过电磁感
应实现电能到机械能的转换。一般情况下，超声波电机定转子直接接触，通过摩擦驱
动。在能量转换过程中有两个步骤，首先定子中通过逆压电效应将电能转换为机械能，接着通过摩擦传动将定子的机械能传递给转子。
（2）从功率密度和转矩密度的角度看：单位质量的功率输出和转矩输出很大程
度上表明了负载能力，表 1-1 列出了部分直流电机（DC）和超声波电机（USM）此
项数据。
表1-1 超声波电机与直流电机性能比较
类型 厂家 产品 质量
/g
堵转力矩
/Ncm
空载转速
/(r/min)
功率密度
/(W/kg)
转矩密度
/(Ncm/kg)
DC Mabuchi 直流有刷 6 1.52 14500 160 42
DC Micro Mo 直流有刷 1.2 0.33 13500 104 29
DC Maxon 直流有刷 8 1.27 5200 45 33
DC Kannan 直流无刷 20 8 5000 17 13
DC Aaeroflex 直流无刷 56 0.98 4000 4.0 3.8
USM MIT 行波、环形 0.26 0.054 1750 108 210
USM Kumada 驻波、纵扭 50 133 120 50 887
USM Shinsei 行波盘式 30 62 105 16 270
USM Cannon 环形 5 16 40 5 356
USM MIT 双面齿 30 170 40 7.3 520
从表 1-1 可以看出，与传统的小型电磁电机相比，超声波电机的功率密度略显不
足，但转矩密度却远远超出。
（3）从响应特性的角度看，电磁电机转速高、转矩小、转子惯量大，响应时间
一般大于10ms。超声波电机转矩大、转速低、转子惯量小，其响应时间一般小于 1ms，
特别适合随动系统。
基于以上特点，超声波电机被广泛应用于计算机、机器人、精密仪器仪表、伺服
控制等领域。
（1）照相机调焦：日本佳能公司于 1987 年成功将超声波电机用于 EOS 系列照
相机的镜头中。与传统电磁型电机的镜头相比，超声波电机镜头定位精度高、聚焦时
间段、静音等优点。
（2）太空机器人：为了满足太空机器人要求的轻重量、大转矩、在超低温正常
工作，美国国家航空宇航局开发了几款环形行波超声波电机，用于火星探测太空行走