超聲波電動機(簡稱USM)是一種應用壓電陶瓷的逆壓電效應，通過摩擦驅動，把電能轉換為機械能輸出的新型直接驅動電機。它完全不同于傳統的電磁電機，有磁極和繞組，無需通過電磁相互作用傳遞能量。USM具有功率密度大、無電磁干擾、低速大轉矩、動態響應快、運行無噪聲等****的特性，在非連續運動領域及精密控制領域，USM要比普通的電磁電機的性能優越得多。USM在工業控制系統、汽車專用電器、超高精度測量儀器、辦公自動化設備、智能機器人等領域有廣闊的應用前景，倍受科技界和工業界的重視，為當前電氣工程領域的一個研究熱點。

    我國于90年代初開始步入USM的研究行列，眾多高校及研究所在國家、省自然科學基金、教委博士點基金的資助下，開展USM的理論及實驗研究及開發，已取得了一些可喜的成果。但目前在USM樣機的設計與制造技術方面，還缺乏深入細致的研究，這在一定程度上妨礙了我國USM產業化的進程。本文在綜合大量資料文獻基礎上，結合本研究小組在USM設計制造方面的工作，闡述了USM的設計理論及方法，給出了USM樣機制造過程中的一些技術要求及關鍵技術。

     USM與傳統的電機不同，無繞組和磁極，無需通過電磁作用產生運動力。它一般由振動體（相當于傳統電機中的定子，由壓電陶瓷和金屬彈性材料制成）和移動體（相當于傳統電機中的轉子，由摩擦材料及塑料等制成）組成。在振動體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時，利用逆壓電效應或電致伸縮效應產生幾十千赫的超聲波振動，將這種振動通過振動體與移動體間的摩擦耦合，變換成旋轉或直線型運動。圖1為環狀行波型USM的基本原理圖，定轉子由軸向力壓在一起，定子壓電陶瓷元件的排布如圖2所示，其中B區振子在空間上與A區振子間隔1/4波長(A/4)。當A區振子加正弦激勵信號B區振子時，在空間上可產生行波，使定子表面上的點作與波傳送方向相反的橢圓運動，如圖1所示[1]。

    如果將一移動體（轉子）壓在振動體（定子）上，則兩者僅在波峰點接觸，受摩擦力的作用，移動體向行進波的反方向移動。依靠行波驅動方式可連續地對移動體施加驅動力，改變波的方向，即可改變移動體移動（轉子旋轉）方向。

    USM雖然經歷了十幾年的研究和發展，但仍有許多有關其性能的理論問題尚未解決。不像電磁電機，USM的設計經驗非常有限，還未建立起系統的設計理論與方法。

    實際上，為推動USM的實際應用，完全有必要確立一套USM的設計方法，以便預估USM的負載特性，同時對USM的運行特性進行必要的分析。在討論設計之前，要從理論上和實驗上研究電機的基本性能。由于USM定轉子間相互作用的復雜性和其本身固有的非線性，很難對其進行精確的數學分析。目前的設計多是基于USM的等效電路及簡化模型的分析基礎上，結合具體的試驗研究進行的。 

  

    首先需要構造USM振子的機電轉化等效電路，建立USM定轉子接觸的簡化模型，然后通過對等效電路和簡化模型的分祈，求取各量之間的關系，利用實驗確定等效電路中的參數。在獲得了等效電路參數后，就可以利用等效電路解釋USM的輸入輸出特性，分析和預估電機的性能，直接為USM的設計服務（因為USM的設計也是基于同一等效電路和簡化模型的基礎上的）。

    對于環形行波型USM，設計時需明確電機所要達到的特性及尺寸要求，如空載轉速、****轉矩、振子驅動半徑等，通過設計得到振予尺寸及加在轉子上的靜態力（預壓力）。設計中，定子齒槽的深度、定子彈性體厚度和預壓力作為設計變量，以振子的機電轉化效率為目標函數。設計步驟為[3]：

    (1)給出設計要求：USM的空載轉速，****輸出轉矩，振子驅動半徑。

    (2)選擇定轉子材料，給出相關參數。

    (3)由空載轉速確定振子表面質點的****切向振動速度。

    (4)由****輸出轉矩及定轉子間摩擦系數確定USM軸向預壓力。

    (5)通過等效電路模型，優化轉子機電轉化效率，選擇定子彈性體厚度。

    (6)由定子表面質點運動軌跡確定振動體中性層位置。

    (7)基于二層復合梁理論，確定定子齒槽深度。

    根據設計結果，制造了一個環形行波型USM樣機，其基本結構如圖3所示。這里就其各組成部分的材料及加工制造技術作相皮闡述。

    如圖3所示，USM主要由定子和轉子構成。

    USM定子由彈性環、壓電陶瓷環和粘結二者的粘結劑組成，其材料的選擇對電機性能影響顯著。

    ·彈性環：彈性環可由不銹鋼、硬鋁或銅等金屬制成，根據加工條件、性能要求或成本等因素進行選擇。日本新生工業公司的T. Sashida曾考慮到磷銅特別耐磨，且楊氏模量對溫度變化不敏感，而選擇了磷銅作為彈性環材料。在USM的樣機試制過程中，選用了不銹鋼作為定子彈性體材料。

    ·壓電陶瓷環：USM上的壓電陶瓷元件采用的是施加交變電壓后能產生機械諧振位移的“硬性”壓電陶瓷材料，其質量的好壞直接影響電機性能，所以對壓電陶瓷材料的要求為：

    (l)機電能量轉換效率高。

    (2)大振幅工作時，各項特性穩定可靠。

    (3)內部損耗低（特別要求）。

    (4)高的耐機械應力性。

    USM所采用的壓電陶瓷應具有高的機電耦合系數K，盡可能大的機械品質因數Qm和較小的介質損耗角正切值tgα因為，Kp高，標志著壓電陶瓷機電能量轉換效率高。Qm大，反映壓電振子振動時因內阻尼消耗的能量小，tgα愈小，介質損耗也愈小。國外基本上都采用大功率壓電陶瓷材料，如PZT-4、PZT-8、PCM-5、PCM-80、PCM-88等。我國的PMS三無系壓電陶瓷材料具有良好的壓電性能，也非常適合于制作USM。

    ·粘結劑：粘結劑必須滿足要求：

    (1)實現牢固的金屬一金屬和金屬一陶瓷粘結。

    (2)高的粘結和撕裂強度。

    (3)由化學或熱凝結的方法凝結固化。

    (4)合適的固化（凝結）時間。

    (5)高的熱耐久性。

    USM多采用高溫固化的環氧樹脂膠。

    USM轉子由轉動環和摩擦材料構成。

    ·轉動環：轉動環可由不銹鋼、硬鋁或塑料等制成。在USM樣機制造過程中，使用了硬質鋁合金材料。

    ·摩擦材料：摩擦材料必須牢固地粘結在轉子和定子的接觸表面，從而增加定轉子間的摩擦系數，減少滑動能量損失，同時亦可起到降低磨損和延長電機壽命的作用。摩擦材料必須滿足要求：

    (l)使加在定子接觸面的壓力均勻分布。

    (2)有彈性，使波峰的接觸區域長度能伸長1/8～1/4波長。

    (3)高摩擦系數。

    (4)高品質因數Q。

    (5)耐磨性好，易于精密加工，不產生摩擦噪聲。

    摩擦材料一般為高聚物，多采用聚酰胺或某些樹脂通過膠合芳香族聚酰胺纖維制成的片狀合成塑料板作為USM的摩擦材料。

    壓電陶瓷環：壓電材料取材一切去內外圓周成環形一電極分割一極化處理。

    彈性體：彈性金屬材料馭材一切削加工一熱處理一粘結面研磨一時效處理。

    壓電陶瓷環十彈性體=粘結一傳動面研磨一引線一定子。

    轉子：轉子材料取材一切削加工一粘結摩擦材料一研磨一轉子。

    定子十轉子十軸承十彈簧十軸十墊圈十外殼一完成USM組裝。

    壓電極板兩邊敷有銀電極(厚度約0. 01mm)。將壓電陶瓷極板切去內外圓周，得到壓電陶瓷環，由研磨切割盤（輪）將銀電極敷層磨去，分割電極。極化裝置與壓電環浸入絕緣油中(80～100℃)，施以高壓(約4～5kV/mm)，整個過程需10～15min。

    一般使用環氧樹脂膠來粘結壓電陶瓷與彈性振動金屬體。粘結層對于USM定子換能器非常重要。從電氣角度看，它給壓電陶瓷串入一個電容。由于壓電陶瓷的介電常數遠遠大于粘結層的介電常數。因而膠層厚度的少許增加將導致加在壓電陶瓷上電場的大幅度減小。另外，從機械角度看，膠層的強度與機械損耗會極大地影響換能器的性能。在粘結過程中，金屬體與壓電陶瓷體要緊壓在一起，并加熱到某一溫度，以獲得薄而結實的膠層。加熱壓電陶瓷時，必須注意居里溫度，在居里溫度以上，材料的壓電性消失，并由于熱電效應而感生出高壓。

    粘結表面由No. 400-4000金剛砂粉拋光到幾個弘m的粗糙度，良好的表面光潔度可以保證陶瓷與金屬塊間的良好的機電耦合，甚至于陶瓷上無需任何金屬敷層（粘結層應盡可能薄）。

    定轉子接觸面的表面粗糙度及平整度的高精度要求是必不可少的。從日本有關科研機構的研究顯示，需要3～5N環的平整度及研磨表面粗糙度不大于0.4mm。

    USM的性能在很大程度上取決于壓電材料和摩擦材料。壓電材料性能的好壞將直接影響定子彈性體表面所激發的行波的振幅及USM的穩定性，而摩擦材料的好壞將影響USM的輸出特性（力矩、效率、噪聲）和電機的使用壽命。另外，必須注意USM中幾個耦合交界面的加工精度及組裝工藝，即彈性體與壓電陶瓷的機電耦合、定轉子接觸面的摩擦耦合的質量要得到保證。

    所進行設計和制造的樣機參數見表1，其性能參數見圖4。由于在摩擦材料的選擇圖4 USM樣機的負載特性方面有所欠缺，因而所制造的USM樣機的性能與設計值有差距，壽命較短，主要是電機摩擦材料的磨損所致。

    USM的設計是建立在等效電路和簡化模型的分析和實驗研究基礎上的。本文介紹設計制造的一個環形行波型USM，并結合樣機的制造過程，給出了一些技術要求及關鍵技術所在。有關USM樣機性能的提高，包括在理論研究和技術工藝方面，還有很多工作要做。目前本研究小組正在USM的設計理論與USM樣機制造、性能提高方面開展工作，以期盡早實現USM的產業化。