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超聲電機(jī)(Ultrasonic Motor或簡寫為USM)技術(shù)是振動學(xué)、波動學(xué)、摩擦學(xué)、動態(tài)設(shè)計、電力電子、自動控制、新材料和新工藝等學(xué)科結(jié)合的新技術(shù)。超聲電機(jī)不像傳統(tǒng)的電機(jī)那樣,利用電磁的交叉力來獲得其運動和力矩。超聲電機(jī)則是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動來獲得其運動和力矩的,將材料的微觀變形通過機(jī)械共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運動。在這種新型電機(jī)中,壓電陶瓷材料盤代替了許許多多的銅線圈。
超聲電機(jī)的雛形早由前蘇聯(lián)在60年代初提出。1973年,美國IBM公司的H.V Barth博士、前蘇聯(lián)的V.H.Lavrinenko等人研制出原理性的超聲電機(jī)。80年代,日本許多科學(xué)工作者致力將美國和蘇聯(lián)的原理性樣機(jī)開發(fā)成使用的超聲電機(jī),并于90年代初投入到商業(yè)應(yīng)用。至今,日本、美國、俄羅斯、德國競相研制各種類型和用途的超聲電機(jī)。
超聲電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比,具有結(jié)構(gòu)簡單、小型輕量、響應(yīng)速度快,噪聲低、低速大轉(zhuǎn)矩、控制特點好、斷電自鎖、不受磁場干擾,運動準(zhǔn)確等優(yōu)點,另外還具有耐低溫、真空等適應(yīng)太空環(huán)境的特點。首先由于質(zhì)量輕,低速且大轉(zhuǎn)矩從而不需要附加齒輪等變速結(jié)構(gòu),避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的震動、沖擊與噪聲、低效率、難控制等一系列問題;其次它突破了傳統(tǒng)電機(jī)的概念,沒有電磁繞組和磁路,不用電磁相互作用來轉(zhuǎn)換能力,而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)、超聲振動和摩擦耦合來轉(zhuǎn)換能量。從而實現(xiàn)了安靜、污染??;定位精度高;不受電磁干擾等優(yōu)點。可以說超聲電機(jī)技術(shù)處于世界上新高科技之一。
超聲電機(jī)作為一種新型的微電機(jī),在轎車電器、辦公自動化設(shè)備、精密儀器儀表、計算機(jī)、工業(yè)控制系統(tǒng)航空航天、智能機(jī)器人等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)超聲波電機(jī)的研究成果,目前國外已經(jīng)成功應(yīng)用于照相機(jī)的自動焦距裝置、傳送裝置、自動升降裝置、精密繪圖儀、微機(jī)械驅(qū)動器等領(lǐng)域。
(1)光學(xué)機(jī)器
超聲波電機(jī)在照相機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡等光學(xué)儀器的聚焦系統(tǒng)中作為驅(qū)動原件,能獲得很滿意的效果。接觸式USM具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點,在許多應(yīng)用場合中可免去減速裝置直接驅(qū)動。典型的應(yīng)用于照相機(jī)的自動焦距鏡頭中,與采用傳統(tǒng)電機(jī)鏡頭相比,具有安靜、無電磁噪聲;定位精度高;調(diào)焦時間短;無齒輪減速、機(jī)構(gòu)簡單等優(yōu)點。
光學(xué)顯微鏡,自動焦距,顯微定位,微納米計算尺,LCD等顯示平板的生產(chǎn)測試檢查,晶片檢查定位,消除振動系統(tǒng),天文觀測儀器,自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),微型掃描儀,基因處理,微型手術(shù),光學(xué)鏡面調(diào)整等都應(yīng)用了超聲波電機(jī)。
(2)汽車
超聲波電機(jī)用于汽車車窗的驅(qū)動裝置中,可使它體積扁小、低速時具有大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點發(fā)揮得。它還可用于磁懸浮列車上,為使列車懸浮于軌道上,使通過軌道上線圈的超導(dǎo)電流產(chǎn)生強磁場,需要大力矩和控制性能良好的驅(qū)動器,這對于USM來說是適合的。
(3)航天中的運用
電機(jī)在低溫和真空條件下的運行特性對航空航天的發(fā)展是極為重要的。超聲波電機(jī)具有的結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、不受磁場干擾、真空下無需潤滑油的優(yōu)點,是電磁電機(jī)在航空航天領(lǐng)域所不具有的。1995年末,美國航空航天局噴氣推進(jìn)實驗室將直線超聲波電機(jī)用于多功能爬行系統(tǒng),該系統(tǒng)用于航天飛船外艙壁的檢查,其承載重量與自重比達(dá)10:1。利用其低速大力矩和高精度等特點,NASA將其用于火星探測器的輕量機(jī)械臂上,采用超聲波電機(jī)取代有刷直流電機(jī)后,Mars ArmⅡ結(jié)構(gòu)雖與Mars ArmⅠ相似,但重量減輕了40%,其主要原因是用超聲波電機(jī)能直接驅(qū)動,另外還可大大縮小工作空間,如NASA的Calileo航天器上的濾波齒輪(Filter wheel)在使用超聲波電機(jī)前后的尺寸縮小了4倍。利用其驅(qū)動方式靈活的特點,日本宇宙研究所研制了兩種直線超聲波電機(jī)用于空間伸展結(jié)構(gòu)的伸展和收縮。利用超聲波電機(jī)的響應(yīng)快等特點,美國和法國用于導(dǎo)彈的測控系統(tǒng);利用結(jié)構(gòu)簡單可微型化的特點,日本研制微型超聲波電機(jī)用于微衛(wèi)星等領(lǐng)域。此外,日本和美國等國家正在進(jìn)行超聲波電機(jī)的各種研究,用于航天等軍事領(lǐng)域。由此可見,超聲波電機(jī)以其高轉(zhuǎn)矩重量比、快速響應(yīng)、高精度和斷電自鎖等特點、將在航天航空等軍工領(lǐng)域中受到愈來愈大的重視。
(4)工業(yè)機(jī)床中的應(yīng)用
由于超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)剛度大、定位精度高,它可用于工具驅(qū)動與控制裝置以及工件的定點傳輸。如機(jī)床的精密進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀具的磨損調(diào)度裝置、微細(xì)電火花機(jī)的加工裝置、工件準(zhǔn)確定位與裝夾、縮緊裝置及夾具的快速調(diào)整。
(5)醫(yī)療與生物學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用
生物材料微型操作器、計量設(shè)備、微型噴嘴、沖擊發(fā)生器、腎結(jié)石破碎*、氣管超聲掃描器。許多科學(xué)儀器,醫(yī)療器械會產(chǎn)生強磁場或者對電磁場干擾具有嚴(yán)格的要求,而超聲波電機(jī)能避免這些問題,所以可以用于核磁共振環(huán)境下設(shè)備的驅(qū)動。
(6)民用產(chǎn)品的應(yīng)用
首先由于超聲電機(jī)的安靜、體積小等優(yōu)點,可用于壓縮機(jī)的使用上,在家電領(lǐng)域具有廣泛的用途;傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動由于在中間環(huán)節(jié),不可避免的存在累計誤差,而超聲波電機(jī)控制性能好,體積小,可用于精密控制,如電子手表;同時利用其控制精度高的特點,可用于IC、LSI等數(shù)控機(jī)器,印刷線路板加工、檢測,晶片遇見排列、焊接、封裝,半導(dǎo)體片等精密沖載。環(huán)狀壓電機(jī)可用于樓宇窗簾的自動開閉。
應(yīng)用領(lǐng)域
舉例說明
光學(xué)儀器
照相機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡
汽車
座椅調(diào)節(jié)電機(jī)、頭靠調(diào)節(jié)電機(jī)、自動天線電機(jī)、自動門鎖電機(jī)、自動窗電機(jī)、頂板調(diào)節(jié)電機(jī)、計價器電機(jī)、電子反光鏡等
航空航天
飛機(jī)飛艇等
工業(yè)控制
鏜床、磨床、機(jī)器人等
醫(yī)療器械等
生物材料微型操作器、計量設(shè)備、微型噴嘴、沖擊發(fā)生器、腎結(jié)石破碎*、器官超聲掃描器
民用產(chǎn)品
壓縮機(jī)、電子手表、IC、LSI等數(shù)控機(jī)器、印刷線路加工、檢測器、晶片元件、半導(dǎo)體片、窗簾自動器
專家預(yù)言:21世紀(jì)將是超聲電機(jī)大放光芒的時代,超聲波電動機(jī)可廣泛應(yīng)用于OA、FA、照相機(jī)、攝像機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、汽車、家用電器等需要直接驅(qū)動的機(jī)構(gòu)中,它將有可能部分取代微型電機(jī)。自1960年前蘇聯(lián)一位科學(xué)家提出超聲波電動機(jī)的設(shè)想以來,前西德西門子公司、AEG公司、日本松下電器工業(yè)公司、日立萬勝公司、新生工業(yè)公司都在進(jìn)行開發(fā)工作,并達(dá)到了商品化開發(fā)程度。
可以預(yù)計:在21世紀(jì),為了發(fā)展我國人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)、機(jī)器人、微型機(jī)械、汽車、磁浮列車以及其他精密儀器,將需要大量的、高性能的超聲電機(jī)。超聲電機(jī)技術(shù)的發(fā)展,必將對我國國防和其他國民經(jīng)濟(jì)各部門起著重大作用,例如:
● 21世紀(jì),航空航天是我國重點發(fā)展的領(lǐng)域之一。從國外的應(yīng)用的情況看,它必將應(yīng)用超聲電機(jī)。如納米衛(wèi)星、微型飛機(jī)、宇宙飛船和空間探測器等,應(yīng)用超聲電機(jī),可以減少其重量,增強其可控性;
● 機(jī)器人和微型機(jī)械,也是我國21世紀(jì)重點發(fā)展的領(lǐng)域之一。超聲電機(jī)可以使機(jī)器人和微型機(jī)械簡化結(jié)構(gòu),減輕重量,增強其可控性。隨著超聲電機(jī)的微型化,微型機(jī)械可進(jìn)入人體,如作為人造心臟的驅(qū)動器,它將會大大推動人造器官的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程;
● 21世紀(jì),我國將要大力發(fā)展磁浮列車。磁浮列車上的強磁場干擾,使得在磁浮列車上的傳統(tǒng)的電磁電機(jī)工作失效,超聲電機(jī)將大有可為;
● 未來豪華轎車上的電機(jī)之多可達(dá)80個,使汽車體積增加,電磁干擾增強。應(yīng)用超聲電機(jī),由于不需齒輪箱從而大大降低其體積;由于超聲電機(jī)不產(chǎn)生磁場而使汽車的電磁兼容性得到大大改善。汽車上的中央門鎖、門窗玻璃的升降,前視鏡和雨刮器等,均可用超聲電機(jī)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁電機(jī);
● 隨著掌上計算機(jī),可視電話電視、手提式儀器等的發(fā)展,微型超聲電機(jī)將可得到廣泛應(yīng)用。超聲電機(jī)將使這些微型儀器降低重量和體積,減少其能量損耗;
● 超聲電機(jī)的位置定位精度很高,直線分辨率可達(dá)納米級,旋轉(zhuǎn)分辨率可達(dá)角秒級。超聲電機(jī)將會在一些精密儀器、醫(yī)療設(shè)備以及半導(dǎo)體制造技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。
● 超聲電機(jī)的響應(yīng)速度快,達(dá)到ms級。往復(fù)響應(yīng)頻率能夠達(dá)到1KHz / ° 以上。再結(jié)合角秒級的角分辨率,能夠在航空航天等高科技領(lǐng)域,用來實現(xiàn)快速掃描、凝視和多目標(biāo)定位、動態(tài)開度控制等等。
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