電磁電機(jī)與超聲電機(jī)比較

一提到電動(dòng)機(jī)人們可能馬上想到電磁電機(jī)。從1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電磁作用，到1836年電磁電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于印刷機(jī)上，僅用了十幾年的時(shí)間。目前，電磁電機(jī)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中都有著廣泛的應(yīng)用。電磁電機(jī)利用電磁效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。一個(gè)常見(jiàn)的直流電磁電機(jī)的換能部件主要由定子和轉(zhuǎn)子組成;定子產(chǎn)生一個(gè)固定的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng);定子與轉(zhuǎn)子不接觸，而通過(guò)兩個(gè)磁場(chǎng)的相互作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。普通電磁電機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速快，每秒上千轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)的輸出功率是力矩乘以轉(zhuǎn)速，所以一般電磁電機(jī)的直接輸出力矩都比較小。

20世紀(jì)90年代日本佳能公司研制出一種壓電電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)的工作原理是利用逆壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。常見(jiàn)的壓電電機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，但定子是由壓電材料和金屬材料組合制成，轉(zhuǎn)子是由金屬材料制成;壓電材料把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)能，激勵(lì)定子金屬體振動(dòng);轉(zhuǎn)子與定子相接觸，通過(guò)摩擦力，定子的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。由于定子的振動(dòng)頻率一般在大于20kHz的超聲頻段，因此人們也將壓電電機(jī)稱(chēng)為超聲電機(jī)。

早在1948年美國(guó)科學(xué)家威廉斯和布朗就申請(qǐng)了“超聲電機(jī)”的專(zhuān)利。隨后，很多人試圖將超聲電機(jī)的想法變成產(chǎn)品，都沒(méi)有成功。1982年日本人指田提出了一個(gè)超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)方案;但直到1992年佳能公司才利用指田的方案制造出商業(yè)化的超聲電機(jī)，并應(yīng)用于照相機(jī)中，作為鏡頭調(diào)焦的驅(qū)動(dòng)器。在此之后，許多國(guó)家都開(kāi)展了超聲電機(jī)的研究。目前超聲電機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在光學(xué)儀器、高檔轎車(chē)、精密儀器、自動(dòng)控制、航空航天等許多領(lǐng)域。

超聲電機(jī)的工作原理和工作效果與電磁電機(jī)完全不同，一個(gè)主要特點(diǎn)就是超聲電機(jī)可以得到較低轉(zhuǎn)速，因此輸出力矩較大，可以省去減速機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)負(fù)載。除了轉(zhuǎn)速低，超聲電機(jī)還有很多其他的特點(diǎn)：：(1)因?yàn)槌曤姍C(jī)不使用電磁場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)力，因此電磁輻射小。許多情況下，不希望有電機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，或者在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中，電磁電機(jī)的正常工作會(huì)受到影響;而超聲電機(jī)不需要做太多的電磁屏蔽處理就可以在這些條件下工作。(2)超聲電機(jī)依靠定、轉(zhuǎn)子之間的接觸摩擦作為驅(qū)動(dòng)方式，關(guān)閉電源后轉(zhuǎn)子就會(huì)馬上停止，并在摩擦力的作用下固定不動(dòng);而步進(jìn)電磁電機(jī)若要把所驅(qū)動(dòng)的部件固定在一個(gè)位置上則需要電流來(lái)維持。(3)超聲電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間較短，一般在十幾毫秒以內(nèi)。(4)超聲電機(jī)沒(méi)有電磁線圈，可以不用銅材，節(jié)省原料造價(jià)。(5)超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，比較靈活。(6)超聲電機(jī)與電磁電機(jī)相比，還有一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)就是在小尺寸時(shí)，電磁電機(jī)的效率急劇降低，并且很難制作出直徑在1mm量級(jí)的電磁電機(jī)，而超聲電機(jī)在很小尺寸上都可以有效工作。

各種各樣的超聲電機(jī)

超聲電機(jī)的工作原理，是把特殊形式的振動(dòng)通過(guò)摩擦力轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)或平動(dòng)。根據(jù)振動(dòng)體的不同形式，可以制作出多種多樣的超聲電機(jī)。日本佳能相機(jī)中應(yīng)用的超聲電機(jī)就有兩種。一種是環(huán)式電機(jī)，另一種是棒式電機(jī)。

環(huán)式電機(jī)的定子振動(dòng)體和壓在其上的轉(zhuǎn)子都是圓環(huán)形薄片(圖1)。電機(jī)工作時(shí)，在定子圓環(huán)上產(chǎn)生的是彎曲振動(dòng)的行波。行波是沿著圓環(huán)的周向行進(jìn)，圓環(huán)表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡是橢圓形。表面質(zhì)點(diǎn)在波峰處，位移有一個(gè)平行于靜止圓環(huán)的分量，這個(gè)分量通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)了與之接觸的環(huán)形轉(zhuǎn)子[圖1(b)]。轉(zhuǎn)子的中間放置鏡頭，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成鏡頭的直線運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到調(diào)焦的目的。由于這種環(huán)式超聲電機(jī)是利用行波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所以也稱(chēng)為行波超聲電機(jī)。

圖1 行波超聲電機(jī)工作原理

把轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的方式很多，如圖2所示，轉(zhuǎn)子上連接一個(gè)圓筒，圓筒的側(cè)壁上開(kāi)有斜槽，圓筒的中間放置鏡頭筒，鏡頭筒的外壁上固定有銷(xiāo)釘，銷(xiāo)釘插在斜槽中。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，斜槽推動(dòng)銷(xiāo)釘使鏡頭筒產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)

環(huán)形行波超聲電機(jī)的輸出力矩一般不大。要得到較大力矩的行波超聲電機(jī)，定子和轉(zhuǎn)子都采用圓盤(pán)形，轉(zhuǎn)子的中間和輸出力矩的軸相聯(lián)。定、轉(zhuǎn)子的相互作用發(fā)生在圓盤(pán)的邊緣處。

佳能相機(jī)中，棒式超聲電機(jī)的工作方式有些像呼啦圈。定子是圓柱形。振動(dòng)時(shí)，圓柱的軸線發(fā)生彎曲，這時(shí)定子端面上只有一個(gè)點(diǎn)與轉(zhuǎn)子相接觸(圖2)。改變圓柱彎曲的方向，接觸點(diǎn)的位置也改變。如果讓接觸點(diǎn)繞原軸線旋轉(zhuǎn)，與定子相接觸的轉(zhuǎn)子被摩擦力驅(qū)動(dòng)隨著接觸點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。與呼啦圈類(lèi)比，人的腰部對(duì)應(yīng)于定子端面上的接觸點(diǎn)，轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)于圓圈。由于這種棒式超聲電機(jī)的定子是做彎曲旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以也被稱(chēng)為彎曲旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，工作原理見(jiàn)圖3。

圖3 彎曲旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)工作原理圖。(a)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖;(b)分出4個(gè)電極對(duì)的壓電陶瓷片;(c)定子激振原理圖

棒式超聲電機(jī)可以做得很小。目前最細(xì)的超聲電機(jī)直徑約為0.8mm，長(zhǎng)度約為6mm。定子也采取彎曲旋轉(zhuǎn)的形式運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)速可以從300轉(zhuǎn)/秒到3000轉(zhuǎn)/秒之間變化。這種微型超聲電機(jī)可以用作內(nèi)窺鏡的掃描驅(qū)動(dòng)器。

棒式超聲電機(jī)除了有彎曲旋轉(zhuǎn)型，還有扭縱型。扭縱型電機(jī)沿著軸線縱振動(dòng)，同時(shí)圍繞軸線扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。縱振動(dòng)使定、轉(zhuǎn)子之間交替分離和接觸。在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的前半個(gè)周期，定子與轉(zhuǎn)子接觸，通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)它向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng);扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的后半個(gè)周期，定子反方向扭動(dòng)，但此時(shí)定、轉(zhuǎn)子恰呈分離狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不會(huì)反方向運(yùn)動(dòng)。每個(gè)周期都重復(fù)該過(guò)程，轉(zhuǎn)子就能保持向同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。扭縱超聲電機(jī)的輸出力矩可以很大，目前能達(dá)到40牛米。由于這種電機(jī)要產(chǎn)生兩種振動(dòng)，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)律就要求軸向尺寸很大，因而限制了它的應(yīng)用范圍。

一種大力矩行波超聲電機(jī)可以彌補(bǔ)扭縱超聲電機(jī)在尺寸上的不足。在普通的圓盤(pán)行波超聲電機(jī)中，定子和轉(zhuǎn)子都是懸臂梁結(jié)構(gòu)，圓盤(pán)的中間是支撐處。因?yàn)槌曤姍C(jī)是靠摩擦力產(chǎn)生輸出力矩，因此要得到大力矩，可以增加定、轉(zhuǎn)子之間的壓力。但這會(huì)引起定子和轉(zhuǎn)子的較大變形，而在設(shè)計(jì)時(shí)很難確定兩個(gè)變形，因此不容易設(shè)計(jì)出較好的結(jié)構(gòu)，得到大力矩。新型大力矩行波超聲電機(jī)中，把振動(dòng)體作為轉(zhuǎn)子，把外殼作為定子，這樣就只有轉(zhuǎn)子是懸臂梁，改善了受力結(jié)構(gòu)，使得設(shè)計(jì)上比較容易實(shí)現(xiàn)大力矩輸出。大力矩行波超聲電機(jī)的形狀為圓盤(pán)形，厚度約為40mm，輸出的力矩可以驅(qū)動(dòng)小轎車(chē)的車(chē)窗玻璃。目前，這種超聲電機(jī)的輸出力矩可以達(dá)到8牛米。

目前世界上手機(jī)的擁有量非常巨大，并且大多數(shù)手機(jī)都帶有照相功能。我們知道光學(xué)變焦的分辨率要高于數(shù)碼變焦，但是帶光學(xué)變焦的手機(jī)相機(jī)卻很少見(jiàn)，主要是因?yàn)闆](méi)有適用于驅(qū)動(dòng)鏡頭變焦的電機(jī)。雖然佳能公司的兩種超聲電機(jī)已經(jīng)很成功地應(yīng)用在照相機(jī)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)中，但他們尺寸都很難再減小。而電磁電機(jī)在小尺寸時(shí)效率很低，耗電量急劇增加，無(wú)法滿足使用要求。

為解決手機(jī)光學(xué)調(diào)焦的難題，一種螺母型超聲電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。這種電機(jī)的定子為螺母型，用空心螺桿作轉(zhuǎn)子，螺桿中空處放置鏡頭(圖4)。在定子的內(nèi)壁上產(chǎn)生的是垂直于內(nèi)壁振動(dòng)的環(huán)繞行波，與圓環(huán)行波超聲電機(jī)相類(lèi)似，行波波峰的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子螺桿轉(zhuǎn)動(dòng);螺紋驅(qū)動(dòng)螺桿做直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。這種電機(jī)除了具有超聲電機(jī)的一般優(yōu)點(diǎn)外，還具有省電、體積小和抗震等優(yōu)點(diǎn)。螺母型超聲電機(jī)有望在近期應(yīng)用于手機(jī)相機(jī)的光學(xué)調(diào)焦機(jī)構(gòu)中。

圖4 螺母型超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)超聲電機(jī)的工作原理，超聲電機(jī)還可以制作出許多不同的形式。例如，超聲電機(jī)可以很容易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng);還可以實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)。多自由度超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)子是一個(gè)圓球，轉(zhuǎn)子上可以放置多個(gè)環(huán)形定子，每一個(gè)定子的軸線就是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，因此可以有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。另外，超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速既可以很慢，也可以很快，非接觸式高速超聲電機(jī)可以達(dá)到每分鐘上萬(wàn)轉(zhuǎn)。

振動(dòng)的形成

超聲電機(jī)需要有振動(dòng)源，一般采用壓電陶瓷，把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。壓電材料有一個(gè)極化方向。如果在壓電材料的極化方向上加電壓時(shí)，當(dāng)電場(chǎng)方向與極化方向一致或相反時(shí)，壓電材料會(huì)在極化方向上發(fā)生伸長(zhǎng)或縮短變形;如果在垂直于極化方向上加電壓，就會(huì)產(chǎn)生剪切變形。

當(dāng)電壓方向交替變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生交變的機(jī)械變形，即發(fā)生機(jī)械振動(dòng)。振動(dòng)的頻率是和交流電的頻率一致的。電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)頻率在超聲頻段，因此超聲電機(jī)需要一個(gè)超聲頻段的交流電源。適當(dāng)設(shè)計(jì)定子的結(jié)構(gòu)就可以得到需要的振動(dòng)形式。例如，如圖1(b)所示，要在環(huán)形行波超聲電機(jī)的圓環(huán)表面上產(chǎn)生行波，可以把壓電陶瓷片與金屬圓環(huán)粘在一起;壓電陶瓷片是在厚度方向上進(jìn)行極化，兩面上涂有銀電極，沿著周向上分成許多對(duì)電極;當(dāng)在厚度方向上加電壓時(shí)，壓電片在厚度上發(fā)生變形，同時(shí)根據(jù)彈性原理，在周向上也會(huì)發(fā)生變形。每對(duì)電極上加交變電壓，使陶瓷片在周向上交變伸長(zhǎng)和縮短。因?yàn)榻饘侪h(huán)和陶瓷片粘接在一起，因此金屬環(huán)也交替發(fā)生伸長(zhǎng)和縮短變形。如果電壓交變頻率與定子的振動(dòng)模態(tài)頻率一致，就會(huì)激勵(lì)出相應(yīng)模態(tài)的駐波振動(dòng)。我們知道兩個(gè)駐波可以形成一個(gè)行波，如果讓相鄰兩對(duì)電極在空間和時(shí)間相位上都相差π/2，就可以激勵(lì)出行波。

于此相類(lèi)似，螺母型超聲電機(jī)是在螺母型定子外壁粘上壓電陶瓷片，每一個(gè)壓電片上按適當(dāng)?shù)臅r(shí)序加電后，可以在螺母內(nèi)壁產(chǎn)生行波。

佳能相機(jī)中的棒式超聲電機(jī)的定子是兩個(gè)金屬圓環(huán)中間夾著壓電陶瓷圓環(huán)組成，環(huán)的中心穿有螺栓把它們聯(lián)在一起。壓電環(huán)沿著周向分成4對(duì)電極，如圖3(b)。加在相鄰兩個(gè)對(duì)電極上的電信號(hào)相差1/4周期，這樣，在一個(gè)方向上，相對(duì)的兩對(duì)電極上的電壓相差1/2周期，在另外一個(gè)垂直方向上，相對(duì)的兩對(duì)電極上的電壓為零。如圖3(c)所示，在y方向上對(duì)稱(chēng)的兩對(duì)電極上加的電壓相位相差1/2周期，一側(cè)產(chǎn)生壓縮變形，另一側(cè)就產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形，整個(gè)定子柱就會(huì)向負(fù)y方向發(fā)生彎曲，而在x方向上沒(méi)有發(fā)生變形。在1/4周期時(shí)間后，y方向上處于平衡位置，定子柱向正x方向彎曲。順序改變電信號(hào)，可以使彎曲的方向依次變化，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的效果。

扭縱超聲電機(jī)也是棒式電機(jī)。它的定子是由兩個(gè)金屬圓環(huán)中間夾著兩組壓電陶瓷圓環(huán)組成，見(jiàn)圖5。一組壓電環(huán)沿著厚度方向極化，用于產(chǎn)生軸線的縱振;另一組壓電環(huán)沿著圓周方向極化，當(dāng)在厚度方向上加電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生剪切變形，用于產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。兩組壓電陶瓷片上加的電壓的頻率相同，但有一個(gè)相位差。

圖5 扭轉(zhuǎn)超聲電機(jī)定子結(jié)構(gòu)

還有一類(lèi)超聲電機(jī)為振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換型。這類(lèi)超聲電機(jī)的振動(dòng)源比較簡(jiǎn)單，一般只有單一的振動(dòng)源，復(fù)雜的振動(dòng)形式是靠結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如，在一個(gè)縱振棒的端部有特殊形狀的多個(gè)齒，振動(dòng)激勵(lì)這些齒做復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，齒上壓著的轉(zhuǎn)子就會(huì)通過(guò)摩擦力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

超聲電機(jī)研究進(jìn)展、前沿和方向

超聲電機(jī)的研究涉及超聲學(xué)，壓電學(xué)，摩擦學(xué)和電子學(xué)等多學(xué)科，非常復(fù)雜。這也是為什么超聲電機(jī)從提出想法到實(shí)用花費(fèi)了近50年時(shí)間的原因之一。

超聲學(xué)中的主要問(wèn)題是如何產(chǎn)生簡(jiǎn)單有效的振動(dòng);另外，在大力矩超聲電機(jī)中如何考慮轉(zhuǎn)子對(duì)振動(dòng)體的影響也是一個(gè)難題。

壓電學(xué)中的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容就是如何得到無(wú)鉛的壓電材料。壓電材料種類(lèi)很多，目前廣泛采用的壓電陶瓷為鋯鈦酸鉛，含鉛，對(duì)環(huán)境有污染。但因?yàn)檫@種材料性能優(yōu)良價(jià)格低廉，目前其他壓電材料無(wú)法相比。因此找到無(wú)鉛的、能夠替代目前采用的壓電陶瓷是當(dāng)務(wù)之急。

摩擦學(xué)方面，目前大多數(shù)應(yīng)用的超聲電機(jī)都是摩擦驅(qū)動(dòng)型。而在超聲振動(dòng)條件下，接觸面上摩擦的現(xiàn)象還需要深入研究。作為超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理研究中最為關(guān)注的超聲振動(dòng)對(duì)接觸界面摩擦特性的影響被列為一萬(wàn)個(gè)科學(xué)難題之一。

電子學(xué)中的主要研究?jī)?nèi)容就是要得到低成本的智能控制系統(tǒng)。超聲電機(jī)只有在高性能的驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)的配合下，才能顯示出它的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)來(lái)。

超聲電機(jī)的研究方興未艾，目前成本較高是限制其廣泛應(yīng)用的主要瓶頸之一。而我們期待著，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲電機(jī)的制造成本會(huì)逐步降低，在越來(lái)越多的地方發(fā)揮它的作用。