电机原理压电电机原理分类

压电电机是一种不同于传统利用电磁原理驱动的新型驱动器，它利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能，通过定动子间的摩擦耦合实现动子的连续直线或者旋转运动。压电电机与传统的电磁电机相比具有分辨率高、响应速度快、无电磁干扰等优点。 压电电机可以分为准静态型、谐振型压电电机两类，如图1所示。谐振型压电电机主要是指超声电机，利用高频正弦电压信号激励定子工作在谐振频率下，通过定子的高频椭圆振动和摩擦耦合实现动子的连续运动输出。准静态型压电电机工作在非谐振工作状态下，根据工作原理可以分为冲击式压电电机和尺蠖式压电电机。

图1-压电电机的分类

1、惯性冲击式压电电机

图2-惯性冲击式压电电机运动原理：(a) 步进示意图 (b) 激励电压

在电压的缓慢上升沿，压电材料逐渐伸长，配重缓慢向前运动；当电压快速降低时，基体在压电材料收缩力的作用下向前移动一个步距。如此循环往复，可以实现冲击电机的宏观运动。该类电机具有纳米定位能力、快速响应和结构紧凑的优点，适用于需要高精度、快速响应和小型化的应用领域，它们在自动化设备、精密定位系统、宏观运动（直线或旋转）、光学设备等方面得到广泛应用。

2、尺蠖式压电电机

尺蠖式压电电机是一种仿生物压电电机，其运动机理来源于一种名叫“尺蠖”的昆虫，其运动过程如图3所示。尺蠖式压电电机通常包含两个箝位单元和一个用于驱动的压电单元，通过箝位单元和压电单元的交替配合实现高位移分辨率输出。该类电机具有输出力及作动行程大、分辨率高、可控精度高等特点；在开环状态下，仍具有纳米级定位能力，可应用于精密加工和高精度定位等领域。

图3-“尺蠖”运动过程图

图4-尺蠖式压电电机运动原理：(a) 行走式 (b) 推动式

3、超声波电机

超声电机利用高频电信号激发定子特定振动模态，在定子表面形成周期性的斜线或者椭圆运动，并以此作为驱动源，通过定动子间的摩擦耦合将定子的椭圆振动转化为动子的连续直线或旋转运动。超声电机可分成行波型和驻波型两类。如图5所示。超声电机具有快速响应、高效能、小巧轻便、可靠稳定和灵活控制等优点，适用于各种需要高性能和精确运动的应用领域。 图5-超声波执行器的工作原理。（a）驻波型；（b）行波型

图6-旋转型“行波”超声电机

图7-超声电机在航空航天领域的应用 (a) 美国火星探测器机械臂中的超声电机 (b) 超声电机应用于法国Helos卫星望远镜