超聲波電機在航空航天中的應用
李華峰 辜承林(華中理工大學武漢430074)
摘 要 介紹超聲波電機的原理及其在航空航天中的應用。
敘 詞 超聲波電動機進展應用
1 引 言
超聲波電機(usm)是國外近幾年發展起來的一種新型電機，它利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動，將彈性材料(壓電陶瓷，pzt)的微觀形變通過共振放大和摩擦耦合轉換成轉子或滑塊的宏觀運動，行波型usm的運動形成原理如圖1所示。
由于獨特的運行機理，usm具有傳統電磁式電機不具備的優點：
863國家高技術航天領域項目863-2-2-4- 6b資助
(1)靠摩擦力驅動，因而斷電后具有自鎖功能，不需要制動裝置。
(2)轉矩密度大，低速下可產生大轉矩，不需要齒輪減速機構，因而體積小，重量輕，控制精度高，響應速度快。
(3)勿需潤滑，不產生也不受電磁干擾，噪聲低。
綜上原因，超聲波電機受到了工業發達國家的普遍重視。
2 usm的發展狀況
usm實際是蘇聯首先提出來的；1964年基輔理工學院的v. v. lavrinenko設計了第一個壓電旋轉電機[1]。此后研究usm的機構越來
越多，主要有拉托維亞的振動技術研究中心、基輔理工學院和烏克蘭及列寧格勒理工學院等。1980年，僅拉托維亞的振動技術研究中心里從事usm設計及應用的就有30多人，其經費主要由蘇聯軍事及空間工業部提供。此時蘇聯在usm領域處于****水平，如設計了用于微型機器人的有2或3個自由度的usm:人工超聲肌肉及超聲步進電機等。不過由于語言等原因，一些重要研究成果并未被西方科學界所充分了解。蘇聯解體后，由于經濟困難，用于usm的資金大幅削減，研究活動也逐漸減少，只有幾個主要的研究機構（如拉托維亞的振動技術研究中心）還在工作。
與此形成鮮明對照的是日本和歐洲研究活動的極為活躍，僅日本的研究機構就有40多家，如松下、新生工業公司、東京工業大學等。英國劍橋大學和法國、德國的許多機構也研究usm，并開發出了許多實用產品。如1986年獲nobel物理學獎的掃描隧道顯微鏡(stm)和日本canon公司的照相機自動調焦系統、機器人的關節驅動、點陣打印機的打印頭、鐘表以及導彈的飛行控制系統等。甚至有幾個西方大公司預測usm將會在小電
機領域最終取代電磁式電機。除日本外，electro mechanical systems公司還制作了英國第一個商用usm：usr30。
相比之下，美國在這方面明顯落后，目前還沒有商用產品出現。主要的研究機構有mit、ibm公司、噴射推進實驗室對于usm的研究，目前主要集中在以下幾個方面：新型電機的原理[2]、測試方法、提高運行性能[3]和改進控制方法等。
3 usm在航空航天中的應用
為了確保美國在國際商用小衛星市場上的地位，以及完成將來美國航空航天局的任務，1994年夏，nasa的daniel goldin宣布了nasa在小型宇宙飛船的設計、制造、發射及操作上的指導方針，歸納起來就是“更快、更好、更便宜”。火星探索計劃是nasa目前主要的項目之一。用于火星表面物質——水、大氣、巖石及二氧化碳——采集的微型著陸器中的機器人，更是著陸器成功實現著陸及數據采集的關鍵。上述指導方針應用于機器人就是要求減少質量／體積／功率,同時還要滿足靈活性、耐久性及在變化的周圍環境中的能適應性等要求。為此，nasa的科學家在三個相互關聯的方面進行努力：機器人的設計；先進的機器人的材料；先進的驅動器。作為傳統驅動器的電磁式電機，由于其制造上的局隈性，限制了它的小型化。而且這類電機由于使用變速機構來滿足轉矩的需求，增加了系統元件數，因而就增加了質量、體積和復雜度，同時也降低了可靠性。而usm的諸多優點（低速下可獲得大轉矩，響應速度快，結構簡單等）恰好彌補了電磁式電機的不足，非常適合于機器人的驅動需求，引起了nasa的重視。他們已經并將繼續使用usm取代電磁式電機來作為機器人的驅動器及伺服系統。
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