时，也就引起了介质的振动，在介质与转子的接触面就形成了摩擦力，从而驱动转子运转。非接触式超声波电动机是以牺牲转矩为代价的，其驱动力都很小。
图3-6
3.1.5多自由度超声波电动机
电机由球形转子、两对径向定子等组成。定子是一个短圆柱体，用等截面梁穿过定子来施加轴向力，使得定子与转子紧密接触。利用粘贴在定子上的压电陶瓷同时在定子上激发出两个在空间互相垂直的振动模态，两个模态合成使得定子侧表面产生行波，从而通过摩擦接触驱动球形转子转动。两对径向定子置于一个平面内不同的位置，这样电机就可得到两个自由度的运动。
4 超声波电机的基本原理
超声波电机就是利用超声波频率范围内的机械振动来获得动力源的装置，借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力。超声波电机获得能量的超声波振动源又与压电陶瓷有着密切联系，当对压电陶瓷施加交变电压时，压电陶瓷本身或压电陶瓷和金属的混合体就会产生周期性地伸缩，即逆压电效应，通过这种伸缩，电机产生了动力。
与传统的电机不同，超声波电机无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。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，由弹性体和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使定子在超声频段(频率为20KHZ以上)产生微观机械振动。并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动。
实现超声波驱动有两个前提条件：首先，需在定子表面激励出稳态的质点椭圆运动轨迹；其次，将定子表面质点水平方向的微观运动转换成转子的宏观运动或平动。第一个前提条件对应着机电能量转换，利用逆压电效应由电能转化成机械振动能：第二个前提条件对应着运动形式转化，往往通过定转子间的摩擦力来实现，近年来亦有通过气体或液体为中间介质接触为非接触型超声波电机，也称为声悬浮超声波电机。从超声电机的工作原理可见，其正常工作离不开两个能量转换作用：机电转换作用和摩擦转换作用。机电转换作用是指压电陶瓷的逆压电效应，即对压电陶瓷振子加高频振荡电流，使它以超声波的频率振动。摩擦转换作用是指弹性体(定子与压电陶瓷的合称)的振动经过定子与转子工作面间的摩擦作用转化成转子的直线运动或旋转运动。要保证大力矩输出、止动性好，必须满足的条件就是有效足够的机电转换作用和有效稳定的摩擦转换作用。
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此外，人耳所能听到的的声音频率约为20Hz-20KHZ，而当频率超过20KHz以上，人耳便无法辨识，成为超声波。对超声波电机的压电材料输入电压所产生的是晶体的形变，因此利用压电材料来带动转子，其前进的距离相当小，约是微米等级，因此若要此电机做长距离运动，就必须输入超声波的高频电压，使定子产生极高的振动频率才能得到合适的转速，这也正是超声波电机的由来。
5超声波电机的驱动
下图为DSP控制的超声波电机驱动原理框图，DSP作为整个系统的控制单元，通过DSP产生满足超声波电机谐振频率的高频的方波信号，经过前级驱动电路来控制MOSFET的开关，由此产生两路高频的方波来驱动超声波电机。
图5-1
驱动器固定二相输入电压为超声波的额定电压，二相高频交流输出电压的时间相移取士90`，由此实现电机的正、反转控制。
图5-2
通过实验测得，左图所示是两相相位相差90度高频的方波信号波形，此信号用来作为驱动信号来驱动行波型超声波电机。右图所示是加上电机后，输出的电压波形，两路平滑的、相位位移相差90°的正弦波信号。
而转速和两相驱动电压相位差曲线如下图所示，此时电机为带负载运行状态。通过改变两相驱动电压相位差可达到调速的目的。
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图5-3
6超声波电机应用领域
超声波电动机的应用主要体现在微观领域、要求无电磁干扰的环境中等一些场合。其应用领域可概括如下： (1) 航空航天领域
航空航天器往往处在高真空、极端温度、强辐射、无法有效润滑等恶劣条件中，且对系统重量要求严苛，超声马达是其中驱动器的最佳选择。 (2) 精密仪器仪表
电磁马达用齿轮箱减速来增大力矩，由于存在齿轮间隙和回程误差，难以达到很高定位精度，而超声马达可直接实现驱动，且响应快、控制特性好，可用于精密仪器仪表。 (3) 机器人的关节驱动
用超声电动机作为机器人的关节驱动器，可将关节的固定部分和运动部分分别与超声马达的定、转子作为一体，使整个机构非常紧凑。日本开发出球型超声电动机，为多自由度机器人的驱动解决了诸多的难题。 (4) 微型机械技术中的微驱动器
微型电机作为微型机械的核心，是微型机械发展水平的重要标志。微电子机械系统(micro electronic mechanical systems，缩写MEMS)的制造研发中，其电机多是毫米级的。医疗领域是微机械技术运用最具代表性的领域之一，超声电机在手术机器人和外科手术器械上已得到应用。
(5) 电磁干扰很强或不允许产生电磁干扰的场合
在核磁共振环境下和磁悬浮列车运行的条件下，电磁电机不能正常工作，超声马达却能胜任。
7超声波电机的发展趋势
第一，新型摩擦材料和压电材料的研制，以提高超声波电机对环境的适应性。由于超声波电机是依靠摩擦耦合来输出能量，接触面的磨损和疲劳是不可避免的，这极大的制约了超声波电机的推广应用。
目前，超声波电机主要应用在不需要连续工作的场合，比如照相机的聚焦系统，其累计寿命只需要十多个小时；汽车门窗开关和座椅头靠调整装置，累计工作时间需要伍百小时。
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但在许多应用场合中，这样的工作寿命满足不了实际的需要，因此研究新型摩擦材料和压电材料显得尤为重要。为此，世界各国都在研制性能更优越的摩擦材料，以提高超声波电机的使用寿命。
第二，微型化和集成化。超声波电机不同于传统的磁式电机，它没有线圈，结构简单，易于加工。其转矩/体积比大，在结构尺寸缩小时基本能保持效率不变，能量密度较其它微特电机高，非常适合作为微型机电系统中的动力源，因而微型化和集成化是超声波电机的重要发展方向。
第三，超声波电机与生物医学工程相结合，现代生物医学工程的发展使超声波电机在这一领域的应用前景光明。由于生物医学工程中要对细胞进行加工、传递、分离和融合，以及对细胞内物质的转移、重组、拉伸、固定等操作，而尺寸只有几个微米的细胞，关键技术是接近细胞时的精细微调，要求分辨率为几十纳米。要完成以上操作，需要有很高定位精度和精细操作能力的驱动装置。
8 总结
超声波电机以其独特的优点，如结构简单、体积小、响应速度快、低速大转矩、定位精度高、无电磁干扰等，在微型机器人、汽车工程、航空航天、精密定位仪、光学仪器、生物工程、医学工程等领域都具有广阔的应用前景。
而随着科技的不断发展，超声波电机的研究也在逐步走向完善，到了八十年代末期，欧美等先进国家都加入到超声波电机的研究之中，有关超声波电机的研究不断取得新进展。
目前，超声波电机的研究重点是提高电机性能的深层次研究，以争取在超声波电机的研究方向上获得根本性的突破。
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