[科普中国]-超声波电动机

超声波电动机是利用压电材料的逆压电特性，激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动。与传统电机相比，它具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，成为国内外在微型电机方面的研究热点。

简介超声波电动机是利用压电材料的逆压电特性，激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动。与传统电机相比，它具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，成为国内外在微型电机方面的研究热点1。

区别与电磁式电机相比，超声波电动机有两个不同点。一是超声波电动机必须工作在超声频域，根据各种电机不同的结构形式，要求驱动器能够输出频率在20～100 kHz的高频电压。二是由于压电材料具有容性负载的特点，不同于传统电机的感性或阻性负载，为了提高驱动电路效率，实现能量的高效转换，使换能器获得足够的功率，在驱动电源和换能器之间必须增加匹配电路。

分类1、根据驱动电路的相数分类：

驱动电路按相数可以分为单相、二相与三相电路。 超声波电动机多采用两相输入。超声波电动机驱动的基本原理就是产生行波，两相驱动直接满足了产生行波的要求，原理简单，因此使用最为广泛。但相对单相驱动，其电路复杂，体积较大，难以微型化，同时为了提高电机的稳定性，还需有频率跟踪电路，进一步增加了驱动电路的复杂性。

三相驱动的性能与两相驱动相仿，只是它的多相驱动类型类似于电磁电动机的多磁极配置关系，有一定的参考意义，因此三相驱动的应用比较少见。

单相驱动结构简单，有利于实现微型化。特别是基于自激振荡原理的单相驱动器，在压电振子共振频率漂移时，可以自动调节信号的频率，大大简化了驱动控制电路 。

日本学者将此技术应用到手表中，分别制作出8 mm直径的振动闹钟和直径4.5 mm日历机芯。驱动电路为采用单相信号，仅包括两个电容、一个压电元件和一个放大电路，而通过改变接人驱动信号的电极即可改变电机转动的方向。需要指出的是基于自激振荡原理的单相驱动器对电机的特性有较高要求，电机导纳扫频曲线在共振点和反共振点之间相位突变要较明显，否则无法应用自激振荡。

2、根据采用恒压源或者恒流源分类：

超声波电动机工作的原理是通过超声频段的交流电，激发附在定子上的两相压电陶瓷环产生振动，使定子发生较大机械变形并产生驱动力。因此，驱动器工作方式和超声工作频段的选择对电机的稳定性和系统效率等问题起着重要作用。作为能量传输的方法，无论是恒压源还是恒流源，它们的驱动效果应该是相近的，应该都能使定子较好的振动。超声波电动机驱动当前常采用恒压源方式且工作在定子共振频率附近。而近年来国内外学者研究表明，压电材料工作在反共振频率附近或采用恒流源 驱动具有驱动电流较小，发热较少，稳定性好，驱动效率高等优点。因此恒流源的驱动方式正在成为研究的热点。

研究表明较小功率输出时，超声波电动机适宜工作在共振点(最大导纳)附近且采用恒压驱动方式；而较大功率输出时，超声波电动机适宜工作在反共振点(最小导纳)附近并采用恒流驱动方式。在实际的设计中，应按照设计要求合理选择驱动方式2。

压电效应压电效应（Piezoelectric Effect）早在1880年，法国的两位科学家——居里（Curie）兄弟，在研究石英晶体的物理性质时，发现了一种特殊的现象，这就是若按某种方位从石英晶体上切割下一片薄晶片，在其表面上敷上电极，当沿着晶片的某些方向施加作用力而使晶片产生变形后，会在两个电极表面上出现等量的正、负电荷。电荷的面密度与施加的作用力的大小成正比；作用力撤销后，电荷也就消失了。这种由于机械力的作用而使晶体表面出现电荷的现象，称为正压电效应。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学