超声波电机在航空航天中的应用
李华峰 辜承林(华中理工大学武汉430074)
摘 要 介绍超声波电机的原理及其在航空航天中的应用。
叙 词 超声波电动机进展应用
1 引 言
超声波电机(usm)是国外近几年发展起来的一种新型电机，它利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料(压电陶瓷，pzt)的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动，行波型usm的运动形成原理如图1所示。
由于独特的运行机理，usm具有传统电磁式电机不具备的优点：
863国家高技术航天领域项目863-2-2-4- 6b资助
(1)靠摩擦力驱动，因而断电后具有自锁功能，不需要制动装置。
(2)转矩密度大，低速下可产生大转矩，不需要齿轮减速机构，因而体积小，重量轻，控制精度高，响应速度快。
(3)勿需润滑，不产生也不受电磁干扰，噪声低。
综上原因，超声波电机受到了工业发达国家的普遍重视。
2 usm的发展状况
usm实际是苏联首先提出来的；1964年基辅理工学院的v. v. lavrinenko设计了第一个压电旋转电机[1]。此后研究usm的机构越来
越多，主要有拉托维亚的振动技术研究中心、基辅理工学院和乌克兰及列宁格勒理工学院等。1980年，仅拉托维亚的振动技术研究中心里从事usm设计及应用的就有30多人，其经费主要由苏联军事及空间工业部提供。此时苏联在usm领域处于****水平，如设计了用于微型机器人的有2或3个自由度的usm:人工超声肌肉及超声步进电机等。不过由于语言等原因，一些重要研究成果并未被西方科学界所充分了解。苏联解体后，由于经济困难，用于usm的资金大幅削减，研究活动也逐渐减少，只有几个主要的研究机构（如拉托维亚的振动技术研究中心）还在工作。
与此形成鲜明对照的是日本和欧洲研究活动的极为活跃，仅日本的研究机构就有40多家，如松下、新生工业公司、东京工业大学等。英国剑桥大学和法国、德国的许多机构也研究usm，并开发出了许多实用产品。如1986年获nobel物理学奖的扫描隧道显微镜(stm)和日本canon公司的照相机自动调焦系统、机器人的关节驱动、点阵打印机的打印头、钟表以及导弹的飞行控制系统等。甚至有几个西方大公司预测usm将会在小电
机领域最终取代电磁式电机。除日本外，electro mechanical systems公司还制作了英国第一个商用usm：usr30。
相比之下，美国在这方面明显落后，目前还没有商用产品出现。主要的研究机构有mit、ibm公司、喷射推进实验室对于usm的研究，目前主要集中在以下几个方面：新型电机的原理[2]、测试方法、提高运行性能[3]和改进控制方法等。
3 usm在航空航天中的应用
为了确保美国在国际商用小卫星市场上的地位，以及完成将来美国航空航天局的任务，1994年夏，nasa的daniel goldin宣布了nasa在小型宇宙飞船的设计、制造、发射及操作上的指导方针，归纳起来就是“更快、更好、更便宜”。火星探索计划是nasa目前主要的项目之一。用于火星表面物质——水、大气、岩石及二氧化碳——采集的微型着陆器中的机器人，更是着陆器成功实现着陆及数据采集的关键。上述指导方针应用于机器人就是要求减少质量／体积／功率,同时还要满足灵活性、耐久性及在变化的周围环境中的能适应性等要求。为此，nasa的科学家在三个相互关联的方面进行努力：机器人的设计；先进的机器人的材料；先进的驱动器。作为传统驱动器的电磁式电机，由于其制造上的局隈性，限制了它的小型化。而且这类电机由于使用变速机构来满足转矩的需求，增加了系统元件数，因而就增加了质量、体积和复杂度，同时也降低了可靠性。而usm的诸多优点（低速下可获得大转矩，响应速度快，结构简单等）恰好弥补了电磁式电机的不足，非常适合于机器人的驱动需求，引起了nasa的重视。他们已经并将继续使用usm取代电磁式电机来作为机器人的驱动器及伺服系统。
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