超声波电动机(简称USM)是一种应用压电陶瓷的逆压电效应，通过摩擦驱动，把电能转换为机械能输出的新型直接驱动电机。它完全不同于传统的电磁电机，有磁极和绕组，无需通过电磁相互作用传递能量。USM具有功率密度大、无电磁干扰、低速大转矩、动态响应快、运行无噪声等****的特性，在非连续运动领域及精密控制领域，USM要比普通的电磁电机的性能优越得多。USM在工业控制系统、汽车专用电器、超高精度测量仪器、办公自动化设备、智能机器人等领域有广阔的应用前景，倍受科技界和工业界的重视，为当前电气工程领域的一个研究热点。

    我国于90年代初开始步入USM的研究行列，众多高校及研究所在国家、省自然科学基金、教委博士点基金的资助下，开展USM的理论及实验研究及开发，已取得了一些可喜的成果。但目前在USM样机的设计与制造技术方面，还缺乏深入细致的研究，这在一定程度上妨碍了我国USM产业化的进程。本文在综合大量资料文献基础上，结合本研究小组在USM设计制造方面的工作，阐述了USM的设计理论及方法，给出了USM样机制造过程中的一些技术要求及关键技术。

     USM与传统的电机不同，无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。它一般由振动体（相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成）和移动体（相当于传统电机中的转子，由摩擦材料及塑料等制成）组成。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应产生几十千赫的超声波振动，将这种振动通过振动体与移动体间的摩擦耦合，变换成旋转或直线型运动。图1为环状行波型USM的基本原理图，定转子由轴向力压在一起，定子压电陶瓷元件的排布如图2所示，其中B区振子在空间上与A区振子间隔1/4波长(A/4)。当A区振子加正弦激励信号B区振子时，在空间上可产生行波，使定子表面上的点作与波传送方向相反的椭圆运动，如图1所示[1]。

    如果将一移动体（转子）压在振动体（定子）上，则两者仅在波峰点接触，受摩擦力的作用，移动体向行进波的反方向移动。依靠行波驱动方式可连续地对移动体施加驱动力，改变波的方向，即可改变移动体移动（转子旋转）方向。

    USM虽然经历了十几年的研究和发展，但仍有许多有关其性能的理论问题尚未解决。不像电磁电机，USM的设计经验非常有限，还未建立起系统的设计理论与方法。

    实际上，为推动USM的实际应用，完全有必要确立一套USM的设计方法，以便预估USM的负载特性，同时对USM的运行特性进行必要的分析。在讨论设计之前，要从理论上和实验上研究电机的基本性能。由于USM定转子间相互作用的复杂性和其本身固有的非线性，很难对其进行精确的数学分析。目前的设计多是基于USM的等效电路及简化模型的分析基础上，结合具体的试验研究进行的。 

  

    首先需要构造USM振子的机电转化等效电路，建立USM定转子接触的简化模型，然后通过对等效电路和简化模型的分祈，求取各量之间的关系，利用实验确定等效电路中的参数。在获得了等效电路参数后，就可以利用等效电路解释USM的输入输出特性，分析和预估电机的性能，直接为USM的设计服务（因为USM的设计也是基于同一等效电路和简化模型的基础上的）。

    对于环形行波型USM，设计时需明确电机所要达到的特性及尺寸要求，如空载转速、****转矩、振子驱动半径等，通过设计得到振予尺寸及加在转子上的静态力（预压力）。设计中，定子齿槽的深度、定子弹性体厚度和预压力作为设计变量，以振子的机电转化效率为目标函数。设计步骤为[3]：

    (1)给出设计要求：USM的空载转速，****输出转矩，振子驱动半径。

    (2)选择定转子材料，给出相关参数。

    (3)由空载转速确定振子表面质点的****切向振动速度。

    (4)由****输出转矩及定转子间摩擦系数确定USM轴向预压力。

    (5)通过等效电路模型，优化转子机电转化效率，选择定子弹性体厚度。

    (6)由定子表面质点运动轨迹确定振动体中性层位置。

    (7)基于二层复合梁理论，确定定子齿槽深度。

    根据设计结果，制造了一个环形行波型USM样机，其基本结构如图3所示。这里就其各组成部分的材料及加工制造技术作相皮阐述。

    如图3所示，USM主要由定子和转子构成。

    USM定子由弹性环、压电陶瓷环和粘结二者的粘结剂组成，其材料的选择对电机性能影响显著。

    ·弹性环：弹性环可由不锈钢、硬铝或铜等金属制成，根据加工条件、性能要求或成本等因素进行选择。日本新生工业公司的T. Sashida曾考虑到磷铜特别耐磨，且杨氏模量对温度变化不敏感，而选择了磷铜作为弹性环材料。在USM的样机试制过程中，选用了不锈钢作为定子弹性体材料。

    ·压电陶瓷环：USM上的压电陶瓷元件采用的是施加交变电压后能产生机械谐振位移的“硬性”压电陶瓷材料，其质量的好坏直接影响电机性能，所以对压电陶瓷材料的要求为：

    (l)机电能量转换效率高。

    (2)大振幅工作时，各项特性稳定可靠。

    (3)内部损耗低（特别要求）。

    (4)高的耐机械应力性。

    USM所采用的压电陶瓷应具有高的机电耦合系数K，尽可能大的机械品质因数Qm和较小的介质损耗角正切值tgα因为，Kp高，标志着压电陶瓷机电能量转换效率高。Qm大，反映压电振子振动时因内阻尼消耗的能量小，tgα愈小，介质损耗也愈小。国外基本上都采用大功率压电陶瓷材料，如PZT-4、PZT-8、PCM-5、PCM-80、PCM-88等。我国的PMS三无系压电陶瓷材料具有良好的压电性能，也非常适合于制作USM。

    ·粘结剂：粘结剂必须满足要求：

    (1)实现牢固的金属一金属和金属一陶瓷粘结。

    (2)高的粘结和撕裂强度。

    (3)由化学或热凝结的方法凝结固化。

    (4)合适的固化（凝结）时间。

    (5)高的热耐久性。

    USM多采用高温固化的环氧树脂胶。

    USM转子由转动环和摩擦材料构成。

    ·转动环：转动环可由不锈钢、硬铝或塑料等制成。在USM样机制造过程中，使用了硬质铝合金材料。

    ·摩擦材料：摩擦材料必须牢固地粘结在转子和定子的接触表面，从而增加定转子间的摩擦系数，减少滑动能量损失，同时亦可起到降低磨损和延长电机寿命的作用。摩擦材料必须满足要求：

    (l)使加在定子接触面的压力均匀分布。

    (2)有弹性，使波峰的接触区域长度能伸长1/8～1/4波长。

    (3)高摩擦系数。

    (4)高品质因数Q。

    (5)耐磨性好，易于精密加工，不产生摩擦噪声。

    摩擦材料一般为高聚物，多采用聚酰胺或某些树脂通过胶合芳香族聚酰胺纤维制成的片状合成塑料板作为USM的摩擦材料。

    压电陶瓷环：压电材料取材一切去内外圆周成环形一电极分割一极化处理。

    弹性体：弹性金属材料驭材一切削加工一热处理一粘结面研磨一时效处理。

    压电陶瓷环十弹性体=粘结一传动面研磨一引线一定子。

    转子：转子材料取材一切削加工一粘结摩擦材料一研磨一转子。

    定子十转子十轴承十弹簧十轴十垫圈十外壳一完成USM组装。

    压电极板两边敷有银电极(厚度约0. 01mm)。将压电陶瓷极板切去内外圆周，得到压电陶瓷环，由研磨切割盘（轮）将银电极敷层磨去，分割电极。极化装置与压电环浸入绝缘油中(80～100℃)，施以高压(约4～5kV/mm)，整个过程需10～15min。

    一般使用环氧树脂胶来粘结压电陶瓷与弹性振动金属体。粘结层对于USM定子换能器非常重要。从电气角度看，它给压电陶瓷串入一个电容。由于压电陶瓷的介电常数远远大于粘结层的介电常数。因而胶层厚度的少许增加将导致加在压电陶瓷上电场的大幅度减小。另外，从机械角度看，胶层的强度与机械损耗会极大地影响换能器的性能。在粘结过程中，金属体与压电陶瓷体要紧压在一起，并加热到某一温度，以获得薄而结实的胶层。加热压电陶瓷时，必须注意居里温度，在居里温度以上，材料的压电性消失，并由于热电效应而感生出高压。

    粘结表面由No. 400-4000金刚砂粉抛光到几个弘m的粗糙度，良好的表面光洁度可以保证陶瓷与金属块间的良好的机电耦合，甚至于陶瓷上无需任何金属敷层（粘结层应尽可能薄）。

    定转子接触面的表面粗糙度及平整度的高精度要求是必不可少的。从日本有关科研机构的研究显示，需要3～5N环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决于压电材料和摩擦材料。压电材料性能的好坏将直接影响定子弹性体表面所激发的行波的振幅及USM的稳定性，而摩擦材料的好坏将影响USM的输出特性（力矩、效率、噪声）和电机的使用寿命。另外，必须注意USM中几个耦合交界面的加工精度及组装工艺，即弹性体与压电陶瓷的机电耦合、定转子接触面的摩擦耦合的质量要得到保证。

    所进行设计和制造的样机参数见表1，其性能参数见图4。由于在摩擦材料的选择图4 USM样机的负载特性方面有所欠缺，因而所制造的USM样机的性能与设计值有差距，寿命较短，主要是电机摩擦材料的磨损所致。

    USM的设计是建立在等效电路和简化模型的分析和实验研究基础上的。本文介绍设计制造的一个环形行波型USM，并结合样机的制造过程，给出了一些技术要求及关键技术所在。有关USM样机性能的提高，包括在理论研究和技术工艺方面，还有很多工作要做。目前本研究小组正在USM的设计理论与USM样机制造、性能提高方面开展工作，以期尽早实现USM的产业化。