直线型超声波电机的研究(3)
机器人的微型机械臂上。 （3）精密定位装置：由于超声波电机响应快，在位置传感器检测到目标位置信
号的瞬间切断电源，电机能够立即停止，定位精度高，只要开环就能实现较高精度的
定位，因而能够用于精密定位装置。
1．3 直线超声波电机研究现状
日本在超声波电机的研究方面一直处于世界领先地位, 掌握着世界上大多数的发
明专利[4]
。日本的各所知名大学和许多公司都对超声波电机进行了研究和生产。日本
也是最早开始研究超声波电机的国家，早在 1982 年，指田年生就提出了行波型直线
超声波电机[5]
。此后，日本学者研究并设计了多定子直线型超声波电机[6]
,多定子电机
采用多个定子驱动动子，可以增大电机推力，但是效率很低。于是，此后人们将注重
点集中到驻波型超声波电机中，到 1998 年，日本研制的高速、大推力直线型超声波
电机已经达到最大推力为 51N，最大速度为 3.5m/s，最大效率为 28%。近年来，国外
在这方面的研究一部分在设计高分辨率的微型超声波电机，比如东京大学研制的一种
小型表面声波直线型超声波电机，分辨率达到了 4nm。另一部分，在改进换能器材料
与结构，比如日本机械工程大学的采用玻璃基板和 LiNbO3 板制成的换能器，成功解
决了表面声波直线电机换能器材料形状和大小受约束的问题[7]。
国内超声波电机的研究开始较晚，清华大学于 1993 年研制成了国内的第一台直
线超声波电机，并成功地应用于微细电火花加工装置的伺服进给控制。随着研究的展
开，各种新型电机根据应用需求不断涌现。上海大学于 2001 年研制的一种仿生步行
直线超声波电机，可以直立双向行走。由于无需辅助转换机构，因而结构简单，容易
实现小型化，适合驱动微型机器人行走[8]
。不同形式的超声波电机其工作时的振动模
态亦不同，近几年，国内对直线型超声波电机的研究主要集中于选取并实现具有更大
的推力和更高推速的振动模态。图 1-2 展示了南京航空航天大学设计的一种轮式直线
型超声波电机，采用 2个正交方向上的6阶弯曲振动模态作为工作模态，电机的最高
速度可达433mm/s，最大推力为 18N，推重比达 7.9:1[9]
。此外，为了提高超声波电机
的可靠性，一些机构对非接触式直线型超声波电机进行了研究，此类电机较传统超声
波电机而言, 具有寿命长,结构简单, 转速高, 扭矩小, 基本无自锁等特点[10]
。 1．4 本课题的主要研究内容
本课题对一种弯纵复合型直线超声波电机进行了分析：分析了这种电机的工作原
理，利用 ANSYS 软件建立了定子模型，对定子的振动模态和谐响应进行了分析从而
选取了工作模态并判断定子结构是否合理。
第一章介绍了本课题的研究背景，以及近年来国内外在直线电机上的部分研究成
果，提出了本课题的研究内容。
第二章说明了弯纵复合直线超声波电机的工作原理：首先介绍了压电陶瓷的振动
特性，接着描述了电机定子结构，最后从定子驱动足处椭圆运动的形成和驱动足一个
周期中的驱动过程两个方面解释了电机的工作原理。
第三章建立了基于 ANSYS 软件的定子模型。在建模过程中，首先要形成各个圆
柱体单元，粘结起来后定义各个圆柱体单元的材料性质得到定子的实体模型，再进行
网格划分得到定子的有限元模型。
第四章对电机的振动模态和谐响应进行了分析。通过分析电机的振动模态选取了