超聲波電動機效率問題的研究現(xiàn)狀與進展
摘要：從超聲波電動機實用化過程中存在的關鍵問題，即效率問題著手，分析了超聲波電動機效率問題的研究現(xiàn)狀；在檢索近年來關于超聲波電動機效率問題研究的文章，對其進行歸納，分析超聲波電動機效率問題的目前研究進展一對進一步深入研究超聲波電動機效率問題，提高超聲波電動機的效率具有重要意義。
關鍵詞：超聲波電動機；效率；研究現(xiàn)狀
中圖分類號：TM383 文獻標識碼：A 文章編號：：1004一7018(2009)10—0063一【J3
O引 言
超聲波電動機或壓電電動
機(Piezoelectric Motors)的基本原理是利用壓電晶體的逆壓電效應將電能轉化為機械能，并使定子處于超聲頻率以上的機械共振狀態(tài)，然后依靠定、轉子間的摩擦力來驅動轉子轉動(或動子作直線運動)：超聲波電動機因具有傳統(tǒng)電磁電動機所無法擁有的某些優(yōu)點而填補了驅動應用領域的空白：例如，超聲波電動機具有高致密性，即高力矩質量比及低速時大扭矩特性，可以省去齒輪減速機構；采用摩擦驅動機制可以斷電自鎖；高致密性與高頻激勵使其能快速響應；結構簡單使其易于微小型化；由于是準靜電場激勵而無電磁場產(chǎn)生等等。
正是由于超聲波電動機具有上述優(yōu)點，在以下領域有著巨大的應用前景和市場。相機自動聚焦裝
置、數(shù)據(jù)存儲、微電子產(chǎn)業(yè)、精密機械、生命科學及醫(yī)藥技術、光學、納尺度領域、機器人、玩具、建筑暖通空調控制系統(tǒng)等等。當然，超聲波電動機新的應用領域也在不斷浮現(xiàn)，如航天航空、汽車液壓及藥物傳遞。如果制造成本降低，一一些關鍵技術如效率、摩擦損耗等問題能夠解決，還可應用于汽車等普通工業(yè)領域。以在汽車中的應用為例，：2005年我國汽車年產(chǎn)量已達320萬輛，其中小轎車達110萬輛，假如每輛使用10個超聲波電動機，那么小轎車上的超聲波電動機年需求超過l 100萬臺，這是一個非常大的應用市場。
根據(jù)美國創(chuàng)新研究及產(chǎn)品公司****報告，全球壓電作動器及壓電超聲波電動機市場約5 27億美元，至2011年可望達到10.66億美元。2011年，從電機類型上看，疊層壓電作動器及超聲波電動機以平均每年19.21％速度增長，其中行波型超聲波電動機每年以19.O％速度增長。
超聲波電動機雖然有著巨大的應用前景，但目前還存在效率低、磨損嚴重、性能欠穩(wěn)定等缺點。電磁電動機效率****可達80％以上，而目前超聲波電動機****效率僅55％，低者只有1％～2％，大多在lO％～40％左右。低效率不僅使電機需要高電壓驅動，而且?guī)砣绨l(fā)熱、磨損嚴重、性能波動等一系列問題，這是制約其走出實驗室，進入實用化、產(chǎn)業(yè)化的一個瓶頸。
1研究現(xiàn)狀
為了得到超聲波電動機效率的分布數(shù)據(jù)，我們在檢索項中輸入檢索詞提供的關于超聲波電動機效率的文章，并對實驗數(shù)據(jù)(去除熏復文章)摘錄，形成數(shù)據(jù)圖表，如圖1所示。
從圖中可看出，超聲波電動機的效率普遍小于40％。進一步查閱文章內(nèi)容還可以看出：縱扭型電
機的效率較高，多在30％以上；彎曲行波型電機效率較低，多在30％以下，特別是圓柱體行波型超聲波電動機(形狀細長時也稱桿狀行波型超聲波電動機)效率更低，多在lO％以下。在日本，佳能公司首先將環(huán)形行波型超聲波電動機應用于相機聚焦鏡頭驅動裝置中，但環(huán)形電機效率較低且成本較高。桿狀行波型超聲波電動機結構不涉及壓電陶瓷的粘貼問題，易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)，可降低成本，佳能公司試圖將桿狀行波型電機應用于聚焦鏡頭。但桿狀電機在此之前效率更低，于是他們與高校合作，集中了一批高素質的研究團隊，投人大量人力物力，對所用的超聲波電動機進行深入理論分析和大量實驗研究，使該電機的效率提高到40％。，于1992年成功應用于相機的自動聚焦鏡頭中。佳能繼產(chǎn)業(yè)化成功以后，又在進行更高效率電機的研究。主要著重于壓電陶瓷材料性能的提高，以疊層壓電陶瓷代替原先的獨立壓電陶瓷片，已研制出效率達55％的第二代圓柱體行波型超聲波電動機，如圖2所示。
可見，效率問題是超聲波電動機產(chǎn)業(yè)化的關鍵在美國，不僅一些****高校如MIT、stanf0rd Berkeley等在進行超聲波電動機的研究，一些國防軍事部門如NAsA、JPL等也在進行超聲波電動機的研究，且一些產(chǎn)品已在航空航天、半導體工業(yè)MEMs及B·oMEMs等領域得到應用，但大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品還未出現(xiàn)。在美國工程索引上搜索到的超聲波電動機產(chǎn)品有40多個(約5種，包括不同型號)，大多是直線型超聲波電動機，均沒提供效率參數(shù)。圖3為美國EDO公司研制的直線型超聲波電動機，沒有給出效率數(shù)據(jù)，通過對給出的輸入電壓、電流及輸出速度及力矩等參數(shù)粗算，效率約10％左右。
目前，國內(nèi)超聲波電動機運行效率一般只有3％～15％，基本處于實驗室研究階段，超聲波電動
機基礎理論框架已基本構建，進一步的工作是對超聲波電動機理論進行深入研究，在提高效率、減少磨損、延長壽命、降低成本等方面作深入研究，使超聲波電動機不僅可以面向高、精、尖技術在我國的發(fā)展前景，而且在日用消費品、汽車電器、精密設備等普通工業(yè)領域也能發(fā)掘出巨大的應用潛力。
2研究進展
電磁電動機能量損耗主要來自電場和磁場轉化過程中的銅損和鐵損。超聲波電動機驅動原理與電
磁電動機完全不同，影響電機效率因素也很復雜，除了有材料本身的熱能損耗，而且存在大量的振動能量損耗及摩擦損耗。超聲波電動機效率問題不僅涉及到材料性能，更重要是的涉及到其驅動原理。目前，超聲波電動機的效率問題主要從機械系統(tǒng)動杰學特性、材料、摩擦損耗、驅動、控制等方面進行研究。下面以scI—E和IEEE數(shù)據(jù)庫中相關論文為背景，對超聲波電動機效率問題研究進展進行分析：
(1)模態(tài)頻率一致性
超聲波電動機工作狀態(tài)是定子的諧振狀態(tài)，而且通常情況下是由兩相激振才能產(chǎn)生驅動轉子的橢
圓運動，所以，兩相頻率一致才能保證電機的效率和穩(wěn)定性。從理論上講，對稱模態(tài)的頻率應該是完全一致的，但由于材料的不均勻性或加工誤差，會導致兩相模態(tài)的不一致。采用復合模態(tài)的超聲波電動機更必須調整兩種模態(tài)頻率一致性。
Li z R等分析了多自由度超聲波電動機頻率一致性對效率的影響并研究了復合模態(tài)頻率一致性的
調節(jié)方法；Yi Y P等分析了縱扭型超聲波電動機縱振模態(tài)和扭振模態(tài)的頻率一致性問題：
(2)驅動電路及控制
超聲波電動機可以說是一個機電一體化的系統(tǒng)，效率的大小不僅依賴于其機械特性，也與驅動電
路及控制系統(tǒng)的特性密切相關。
xu J從驅動電路輸出阻抗與超聲波電動機等效阻抗匹配方向研究效率問題，當兩者匹配時效率
峰值可達45％，但由于電機等效阻抗隨著負載和溫度的改變而改變，電機平均效率僅為16％PonsJ L等同樣討論了阻抗匹配對超聲波電動機效率的影響，并對超聲波電動機驅動器進行了優(yōu)化設計。Tomonobu senjyu通過實驗研究超聲波電動機驅動頻率和效率的關系，發(fā)現(xiàn)****效率驅動頻率
點與電機諧振頻率存在一差值，并研究通過檢測輸出電壓，得到****效率驅動頻率點。Tien—chi
chen研究了環(huán)形行波型超聲波電動機的控制策略，
提出采用相位調制對超聲波電動機輸出速度進行控
制有利于效率的提高。
(3)壓電材料及定子材料的影響
當超聲波電動機作為機電一體化系統(tǒng)時，壓電陶瓷既是電路系統(tǒng)的負載，又作為機械共振系統(tǒng)的激勵源，是機、電兩個系統(tǒng)聯(lián)系的扭帶。因此，無論是壓電陶瓷的機電轉換效率，還是對定子機械共振的激振效率都起著至關重要的作用。定子材料的選擇同樣也影響著超聲波電動機的效率。
Mo血a T等研究了不同壓電陶瓷材料沉定層對電機效率的影響。；Ko H P定子材料對采用鋸齒波驅動的直徑型超聲波電動機性能的影響。Ro—driguez H等定性論述了定子材料與形狀對電機效率的影響。
近年，隨著壓電陶瓷的制作技術和工藝的提高，由多層壓電陶瓷片膠合在一起的疊層壓電陶瓷開始出現(xiàn)。疊層壓電陶瓷總輸出位移等于每層壓電片輸出位移之和，可以大大提高電機的效率，用疊層壓電陶瓷代替?zhèn)鹘y(tǒng)陶瓷片用于超聲波電動機的研究也越來越多。
(4)定、轉子接觸分析
超聲波電動機是采用定、轉子間的摩擦力進行驅動的，摩擦在產(chǎn)生驅動力的同時也產(chǎn)生大量的摩擦損耗，這一部分能量損失占總體能量損耗的主要部分，是影響超聲波電動機的效率重要因素。因此很多研究者都在進行相關方面的研究。
Qu J J分別采用粘彈性模型和有限元模型對定、轉子進行了靜態(tài)接觸分析。Maeno T等采用有限元模型對定轉子進行靜態(tài)和動態(tài)接觸分析，計算了定、轉子接觸面的stick／slip分布及特點，為研究電機效率提供了理論模型。P0ns J L采用定、轉子的參數(shù)化模型對環(huán)形行波型超聲波電動機進行了優(yōu)化設計，模型中還包括定、轉子接觸最基本的粘彈性模型，將效率、轉矩等作為目標函數(shù)進行幾何參數(shù)及材料參數(shù)優(yōu)化設計。Kurosawa M等采用用等效電路法分析了影響桿狀行波型超聲波電動機效率的因素，并指出此類電機效率很低是由于存在徑向滑動；chen c等對行波型旋轉超聲波電動
機接觸界面徑向滑移對超聲波電動機效率的影響進行了研究。
3結語
本文討論的效率問題是超聲波電動機實用化、產(chǎn)業(yè)化的關鍵問題；然后根據(jù)專業(yè)數(shù)據(jù)庫提供的資
料，分析了超聲波電動機效率問題的研究現(xiàn)狀及進展。從中可以得出以下結論：
(1)超聲波電動機效率問題是超聲波電動機性能的關鍵數(shù)據(jù)，應該成為研究的熱點；
(2)影響超聲波電動機效率問題的因素很多，涉及材料、電子、機械動力學等多個學科領域。從動
力學特性來說，目前僅僅從頻率一致性進行了研究，缺少系統(tǒng)、深入地研究。
(3)效率問題其實是能量的利用和損耗問題，即系統(tǒng)中能量的運行和轉化的合理性。超聲波電動
機的效率問題也應該從能量的觀點進行研究.
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