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(fā)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(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)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(tǒng)電磁式電機不具備的優(yōu)點：
863國家高技術(shù)航天領(lǐng)域項目863-2-2-4- 6b資助
(1)靠摩擦力驅(qū)動，因而斷電后具有自鎖功能，不需要制動裝置。
(2)轉(zhuǎn)矩密度大，低速下可產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩，不需要齒輪減速機構(gòu)，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(chǎn)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(yè)發(fā)達國家的普遍重視。
2 usm的發(fā)展狀況
usm實際是蘇聯(lián)首先提出來的；1964年基輔理工學院的v. v. lavrinenko設(shè)計了第一個壓電旋轉(zhuǎn)電機[1]。此后研究usm的機構(gòu)越來
越多，主要有拉托維亞的振動技術(shù)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(shù)研究中心里從事usm設(shè)計及應用的就有30多人，其經(jīng)費主要由蘇聯(lián)軍事及空間工業(yè)部提供。此時蘇聯(lián)在usm領(lǐng)域處于****水平，如設(shè)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(lián)解體后，由于經(jīng)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(gòu)（如拉托維亞的振動技術(shù)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(gòu)就有40多家，如松下、新生工業(yè)公司、東京工業(yè)大學等。英國劍橋大學和法國、德國的許多機構(gòu)也研究usm，并開發(fā)出了許多實用產(chǎn)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(diào)焦系統(tǒng)、機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動、點陣打印機的打印頭、鐘表以及導彈的飛行控制系統(tǒng)等。甚至有幾個西方大公司預測usm將會在小電
機領(lǐng)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(chǎn)品出現(xiàn)。主要的研究機構(gòu)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(wèi)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(shè)計、制造、發(fā)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(zhì)——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(xiàn)著陸及數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。上述指導方針應用于機器人就是要求減少質(zhì)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(huán)境中的能適應性等要求。為此，nasa的科學家在三個相互關(guān)聯(lián)的方面進行努力：機器人的設(shè)計；先進的機器人的材料；先進的驅(qū)動器。作為傳統(tǒng)驅(qū)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(gòu)來滿足轉(zhuǎn)矩的需求，增加了系統(tǒng)元件數(shù)，因而就增加了質(zhì)量、體積和復雜度，同時也降低了可靠性。而usm的諸多優(yōu)點（低速下可獲得大轉(zhuǎn)矩，響應速度快，結(jié)構(gòu)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(qū)動需求，引起了nasa的重視。他們已經(jīng)并將繼續(xù)使用usm取代電磁式電機來作為機器人的驅(qū)動器及伺服系統(tǒng)。
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