电磁电机与超声电机比较
一说到电动机人们或许立刻想到电磁电机。从1820年奥斯特发现电磁效果，到1836年电磁电动机运用于印刷机上，仅用了十几年的时刻。现在，电磁电机在日常日子和工业生产中都有着广泛的运用。电磁电机运用电磁效应把电能转换成机械能。一个常见的直流电磁电机的换能部件首要由定子和转子组成；定子发生一个固定的磁场，转子发生一个可以旋转的磁场；定子与转子不触摸，而经过两个磁场的相互效果驱动转子滚动。一般电磁电机的特色是转速快，每秒上千转。电动机的输出功率是力矩乘以转速，所以一般电磁电机的直接输出力矩都比较小。
20世纪90年代日本佳能公司研制出一种压电电动机，这种电动机的作业原理是运用逆压电效应把电能转换成机械能。常见的压电电机也是由定子和转子组成，但定子是由压电资料和金属资料组合制成，转子是由金属资料制成；压电资料把电能转换成机械振荡能，鼓励定子金属体振荡；转子与定子相触摸，经过冲突力，定子的振荡驱动转子运动。由于定子的振荡频率一般在大于20kHz的超声频段，因而人们也将压电电机称为超声电机。
早在1948年美国科学家威廉斯和布朗就申请了“超声电机”的专利。随后，许多人企图将超声电机的主意变成产品，都没有成功。1982年日本人指田提出了一个超声电机的规划计划；但直到1992年佳能公司才运用指田的计划制造出商业化的超声电机，并运用于照相机中，作为镜头调焦的驱动器。在此之后，许多国家都展开了超声电机的研讨。现在超声电机现已广泛运用在光学仪器、高档轿车、精密仪器、自动控制、航空航天等许多范畴。
超声电机的作业原理和作业效果与电磁电机彻底不同，一个首要特色便是超声电机可以得到较低转速，因而输出力矩较大，可以省去减速组织直接带动负载。除了转速低，超声电机还有许多其他的特色：：（1）由于超声电机不运用电磁场作为驱动力，因而电磁辐射小。许多情况下，不期望有电机发生强电磁搅扰，或许在强磁场环境中，电磁电机的正常作业会受到影响；而超声电机不需求做太多的电磁屏蔽处理就可以在这些条件下作业。（2）超声电机依托定、转子之间的触摸冲突作为驱动方法，封闭电源后转子就会立刻中止，并在冲突力的效果下固定不动；而步进电磁电机若要把所驱动的部件固定在一个方位上则需求电流来坚持。（3）超声电机的呼应时刻较短，一般在十几毫秒以内。（4）超声电机没有电磁线圈，可以不必铜材，节约质料造价。（5）超声电机的转速可以经过改动驱动频率进行调理，比较灵敏。（6）超声电机与电磁电机比较，还有一个最大的优势便是在小尺度时，电磁电机的功率急剧下降，而且很难制作出直径在1mm量级的电磁电机，而超声电机在很小尺度上都可以有用作业。
各式各样的超声电机
超声电机的作业原理，是把特别方法的振荡经过冲突力转换成滚动或平动。依据振荡体的不同方法，可以制作出多种多样的超声电机。日本佳能相机中运用的超声电机就有两种。一种是环式电机，另一种是棒式电机。
环式电机的定子振荡体和压在其上的转子都是圆环形薄片（图1）。电机作业时，在定子圆环上发生的是曲折振荡的行波。行波是沿着圆环的周向跋涉，圆环外表质点的振荡轨道是椭圆形。外表质点在波峰处，位移有一个平行于停止圆环的重量，这个重量经过冲突驱动了与之触摸的环形转子[图1（b）]。转子的中心放置镜头，转子的滚动可以经过恰当的组织转换成镜头的直线运动，以到达调焦的意图。由于这种环式超声电机是运用行波进行驱动，所以也称为行波超声电机。
图1 行波超声电机作业原理
把滚动转换成直线运动的方法许多，如图2所示，转子上衔接一个圆筒，圆筒的侧壁上开有斜槽，圆筒的中心放置镜头筒，镜头筒的外壁上固定有销钉，销钉插在斜槽中。当转子滚动时，斜槽推进销钉使镜头筒发生直线运动。
图2 滚动转换成直线运动
环形行波超声电机的输出力矩一般不大。要得到较大力矩的行波超声电机，定子和转子都选用圆盘形，转子的中心和输出力矩的轴相联。定、转子的相互效果发生在圆盘的边际处。
佳能相机中，棒式超声电机的作业方法有些像呼啦圈。定子是圆柱形。振荡时，圆柱的轴线发生曲折，这时定子端面上只要一个点与转子相触摸（图2）。改动圆柱曲折的方向，触摸点的方位也改动。假如让触摸点绕原轴线旋转，与定子相触摸的转子被冲突力驱动跟着触摸点发生滚动。与呼啦圈类比，人的腰部对应于定子端面上的触摸点，转子对应于圆圈。由于这种棒式超声电机的定子是做曲折旋转运动，所以也被称为曲折旋转超声电机，作业原理见图3。
图3 曲折旋转超声电机作业原理图
（a）定、转子结构示意图
（b）分出4个电极对的压电陶瓷片
（c）定子激振原理图
棒式超声电机可以做得很小。现在最细的超声电机直径约为0.8mm，长度约为6mm。定子也采纳曲折旋转的方法运动。转速可以从300转/秒到3000转/秒之间改动。这种微型超声电机可以用作内窥镜的扫描驱动器。
棒式超声电机除了有曲折旋转型，还有扭纵型。扭纵型电机沿着轴线纵振荡，一同盘绕轴线改动振荡。纵振荡使定、转子之间替换别离和触摸。在改动振荡的前半个周期，定子与转子触摸，经过冲突驱动它向一个方向滚动；改动振荡的后半个周期，定子反方向扭动，但此刻定、转子恰呈别离状况，转子不会反方向运动。每个周期都重复该进程，转子就能坚持向同一个方向旋转。扭纵超声电机的输出力矩可以很大，现在能到达40牛米。由于这种电机要发生两种振荡，依据规划规则就要求轴向尺度很大，因而约束了它的运用规模。
一种大力矩行波超声电机可以补偿扭纵超声电机在尺度上的缺乏。在一般的圆盘行波超声电机中，定子和转子都是悬臂梁结构，圆盘的中心是支撑处。由于超声电机是靠冲突力发生输出力矩，因而要得到大力矩，可以添加定、转子之间的压力。但这会引起定子和转子的较大变形，而在规划时很难确认两个变形，因而不简略规划出较好的结构，得到大力矩。新式大力矩行波超声电机中，把振荡体作为转子，把外壳作为定子，这样就只要转子是悬臂梁，改进了受力结构，使得规划上比较简略完成大力矩输出。大力矩行波超声电机的形状为圆盘形，厚度约为40mm，输出的力矩可以驱动小轿车的车窗玻璃。现在，这种超声电机的输出力矩可以到达8牛米。
现在世界上手机的拥有量十分巨大，而且大多数手机都带有照相功用。咱们知道光学变焦的分辨率要高于数码变焦，可是带光学变焦的手机相机却很罕见，首要是由于没有适用于驱动镜头变焦的电机。尽管佳能公司的两种超声电机现已很成功地运用在照相机的调焦组织中，但他们尺度都很难再减小。而电磁电机在小尺度时功率很低，耗电量急剧添加，无法满意运用要求。
为处理手机光学调焦的难题，一种螺母型超声电机应运而生。这种电机的定子为螺母型，用空心螺杆作转子，螺杆中空处放置镜头（图4）。在定子的内壁上发生的是笔直于内壁振荡的盘绕行波，与圆环行波超声电机相相似，行波波峰的运动驱动转子螺杆滚动；螺纹驱动螺杆做直线运动，完成调焦。这种电机除了具有超声电机的一般长处外，还具有省电、体积小和抗震等长处。螺母型超声电机有望在近期运用于手机相机的光学调焦组织中。
图4 螺母型超声电机结构示意图
依据超声电机的作业原理，超声电机还可以制作出许多不同的方法。例如，超声电机可以很简略完成直线运动；还可以完成多自由度运动。多自由度超声电机的转子是一个圆球，转子上可以放置多个环形定子，每一个定子的轴线便是一个滚动轴，因而可以有多个滚动方向。别的，超声电机的转速既可以很慢，也可以很快，非触摸式高速超声电机可以到达每分钟上万转。
振荡的构成
超声电机需求有振荡源，一般选用压电陶瓷，把电能转换成机械能。压电资料有一个极化方向。假如在压电资料的极化方向上加电压时，当电场方向与极化方向共同或相反时，压电资料会在极化方向上发生伸长或缩短变形；假如在笔直于极化方向上加电压，就会发生剪切变形。
当电压方向替换改动时，就会发生交变的机械变形，即发生机械振荡。振荡的频率是和交流电的频率共同的。电机的机械振荡频率在超声频段，因而超声电机需求一个超声频段的交流电源。恰当规划定子的结构就可以得到需求的振荡方法。例如，如图1（b）所示，要在环形行波超声电机的圆环外表上发生行波，可以把压电陶瓷片与金属圆环粘在一同；压电陶瓷片是在厚度方向上进行极化，两面上涂有银电极，沿着周向上分红许多对电极；当在厚度方向上加电压时，压电片在厚度上发生变形，一同依据弹性原理，在周向上也会发生变形。每对电极上加交变电压，使陶瓷片在周向上交变伸长和缩短。由于金属环和陶瓷片粘接在一同，因而金属环也替换发生伸长和缩短变形。假如电压交变频率与定子的振荡模态频率共同，就会鼓励出相应模态的驻波振荡。咱们知道两个驻波可以构成一个行波，假如让相邻两对电极在空间和时刻相位上都相差π/2，就可以鼓励出行波。
于此相相似，螺母型超声电机是在螺母型定子外壁粘上压电陶瓷片，每一个压电片上按恰当的时序加电后，可以在螺母内壁发生行波。
佳能相机中的棒式超声电机的定子是两个金属圆环中心夹着压电陶瓷圆环组成，环的中心穿有螺栓把它们联在一同。压电环沿着周向分红4对电极，如图3（b）。加在相邻两个对电极上的电信号相差1/4周期，这样，在一个方向上，相对的两对电极上的电压相差1/2周期，在别的一个笔直方向上，相对的两对电极上的电压为零。如图3（c）所示，在y方向上对称的两对电极上加的电压相位相差1/2周期，一侧发生紧缩变形，另一侧就发生伸长变形，整个定子柱就会向负y方向发生曲折，而在x方向上没有发生变形。在1/4周期时刻后，y方向上处于平衡方位，定子柱向正x方向曲折。次序改动电信号，可以使曲折的方向顺次改动，发生旋转的效果。
扭纵超声电机也是棒式电机。它的定子是由两个金属圆环中心夹着两组压电陶瓷圆环组成，见图5。一组压电环沿着厚度方向极化，用于发生轴线的纵振；另一组压电环沿着圆周方向极化，当在厚度方向上加电压时会发生剪切变形，用于发生改动振荡。两组压电陶瓷片上加的电压的频率相同，但有一个相位差。
图5 改动超声电机定子结构
还有一类超声电机为振荡模态转换型。这类超声电机的振荡源比较简略，一般只要单一的振荡源，杂乱的振荡方法是靠结构来完成的。例如，在一个纵振棒的端部有特别形状的多个齿，振荡鼓励这些齿做杂乱的运动，齿上压着的转子就会经过冲突力发生滚动。
超声电机研讨进展、前沿和方向
超声电机的研讨触及超声学，压电学，冲突学和电子学等多学科，十分杂乱。这也是为什么超声电机从提出主意到有用花费了近50年时刻的原因之一。
超声学中的首要问题是怎么发生简略有用的振荡；别的，在大力矩超声电机中怎么考虑转子对振荡体的影响也是一个难题。
压电学中的一个重要研讨内容便是怎么得到无铅的压电资料。压电资料品种许多，现在广泛选用的压电陶瓷为锆钛酸铅，含铅，对环境有污染。但由于这种资料功能优秀价格低廉，现在其他压电资料无法比较。因而找到无铅的、可以代替现在选用的压电陶瓷是燃眉之急。
冲突学方面，现在大多数运用的超声电机都是冲突驱动型。而在超声振荡条件下，触摸面上冲突的现象还需求深入研讨。作为超声电机驱动机理研讨中最为重视的超声振荡对触摸界面冲突特性的影响被列为一万个科学难题之一。
电子学中的首要研讨内容便是要得到低本钱的智能控制系统。超声电机只要在高功能的驱动电路系统的合作下，才干显示出它的市场竞争优势来。
超声电机的研讨方兴未已，现在本钱较高是约束其广泛运用的首要瓶颈之一。而咱们期待着，跟着科学技术的开展，超声电机的制造本钱会逐渐下降，在越来越多的当地发挥它的效果。
