什么是超声波电机？堪称高精尖的超声电机都有什么用呢

听说过超声波电机吗？这是一种在高精尖领域应用的新型电动机，也在逐渐进入民用领域。中国科学家赵淳生院士，两次癌症、三次手术，带病奋斗，只为打造一个属于中国的超声电机产业。今天我就带着大家了解一下这种新型电机。这也是一个粉丝给我布置的任务，由于我本人工作太忙，创作频率比较低，所以答应网友讲得很多东西，还没有落实，请见谅。我是东城观星，一名普通的大学老师，你感兴趣的科技进展和科学知识，可以找我来讲。

一、什么是超声波电机？

所谓超声波电机，并不是通过空气中超声波推动的电机，而是先把电能变成高频机械震动，然后通过高频震动和摩擦来带动做功的电动机。这里的高频震动，刚好在超声波的频率范围内，所以也叫超声波电机。因为这种震动产生的声音是超声波，人类的耳朵听不见，所以这类电动机属于静音电动机，可以应用到特别安静的场所。又由于不需要线圈和磁铁，也不需要气体膨胀来进行推动，这类电动机可以做到非常小，小到1毫米左右的尺寸都可以，能够应用到很多需要微型电动机的场合。

其实超声电机的实际工作原理还是很复杂的，需要精心设计才能真正把电能变成机械能，但是我们这里做一下简化理解，希望对大家有帮助。超声电机，利用震动波和摩擦力带动转子运动，从而可以对外做功。你可以近似理解成海浪推动小船的过程，只要利用好海浪，本身无法自由移动的小船就可以被推到岸边。海浪就是行动的水波，超声电机利用的也是行动的振动波。

超声电机的核心部件是压电陶瓷，或者叫压电材料。这种材料接上电线以后，你压一下它，就可以产生电流，这就叫压电效应。反过来，如果给它施加一个电压，它也可以发生形变，这个叫做逆压电效应。超声电机利用的就是逆压电效应。

如果给压电材料提供一个交流电，这个压电材料就会随着电压的变化而震动，交流电频率越高，震动越快，为了达到超声频率的震动，需要提供2万赫兹到10万赫兹的交流电，而不是我们家庭使用的50赫兹的交流电。为了让压电材料有效震动，对交流电的电压也有一定的要求，一般得达到几百伏特到上千伏特。有了合适的电源和压电材料，还要在压电材料上面放上弹性的震动片作为定子，然后再在弹性片上布置摩擦系数高，又耐磨的材料，以便能通过摩擦力带动转子运动。所以，这样的电动机，设计和生产并不简单。

二、超声波电机的应用

超声电机最早是1948年提出来的，但直到1982年，日本科研人员才解决了实际应用问题，随后超声电机在日本产业界广泛应用。比如我们熟悉的佳能相机，就应用超声电机来控制调焦系统。超声电机容易做到小型化、工作响应快、噪音低，断电以后还可以自动锁死不会随意运动，成为一种独特的电动机应用到很多场合。美国最早把这种电机应用到了航天领域，并把携带超声电机的设备送到了火星上。

中国虽然开展超声电机研究比较晚，但随着不断投入研究力量，跟发达国家的差距越来越小。中国有个科学家叫赵淳生，在了解到超声电机的优势以后，开始从事相关研究工作。赵院士带领自己的科研团队攻克了一个又一个难关，短短几年的时间就研发出了一系列成熟的超声电机，并把超声电机安装到了嫦娥三号上面，成为世界上第二个把超声电机应用到太空的国家。后来的嫦娥四号、嫦娥五号、祝融号火星车都用到了自己国家生产的超声电机。目前正在从航天领域向民用领域转型推广。

在航天领域，超声电机具有很大的应用前景，比如各种类型的机械臂、航天器对接装置、太空垃圾收集系统、火箭内部控制装置、星球车控制装置、微型卫星控制等领域都可以用上它。除了航天以外，微型机械领域、需要高精度的芯片生产领域、需要静音环境的场所、以及医疗器械领域也都可以大量应用超声电机。

特别值得一提的是，核磁共振设备本身具有极强的磁场，对普通的电磁电动机有很强的干扰性，需要特殊防护，而超声电机不受电磁干扰，在强磁场下依然可以正常工作，是非常好的核磁共振驱动电机。另外由于超声电机可以做到体积小、质量轻，可以在内窥镜领域大量应用，既有可以实现直线运动的直线超声电机，也有可以实现旋转的超声电机，而且都能做到微型化。可以想象的将来，微创机器人手术，很有可能也会大量应用这类电动机。据说目前正在研究可以自动调焦的眼镜，以后戴眼镜就更方便了，看不清楚了自己可以调节眼镜度数。

三、超声电机的缺点

超声电机在各领域的应用肯定会越来越多，在电机领域占据自己的一席之地。但是，超声电机也有自己的缺点，这里简单说一下。

首先，这种电机的寿命比较短，因为超声电机是通过摩擦来带动的。大家应该都有经验，靠摩擦的东西，寿命都不会太长。轮胎也好、鞋底也罢，时间一长就开始打滑了。超声电机自然也会慢慢打滑的，需要研发特殊的耐磨材料，适当延长寿命。

其次，超声电机工作的影响因素太多，对它的性能产生难以估测的影响。比如温度，只要超声电机开始工作，就会产生热量改变温度，而温度的改变会影响很多参数，从而让超声电机的性能参数不断发生变化。再比如，从电能转换为最终的机械能中间有好几次能量传递，这中间的参数变化非常复杂，对于电动机的精准调控带来很大难度。

此外，其他部件的材料性能，也给超声电机的研发和控制带来很大的难度，换句话说，要想让超声电机足够成熟，还需要很长时间的磨合才行。只有不断大量应用，才能不断发现问题解决问题，最终完善这种发动机。

当年日本在这方面很厉害，是因为日本最早实现了超声电机产业化。但是随着日本经济的低迷，以及日本各种产业逐渐跟市场脱节，不断被边缘化，日本在超声电机领域的优势必将被超越。只有充足的市场才能养活先进的技术，没有市场打底，技术也会发展停滞。

所以，未来谁能在超声电机领域占据主动权，就看谁能给超声电机提供足够大的市场了，更准确地说应该是谁能占据足够大的市场。

好了就说这么多吧，大家有什么想说的，咱们评论区聊一下。我是东城观星，感谢大家的订阅与关注。

国产超声电机上太空

【一线讲述】

讲述人：航空航天结构力学及控制全国重点实验室研究员 芦小龙

月球背面整体上相对月球正面更为古老，且存在月球三大地体之一的艾特肯盆地，具有重要科研价值。我们团队在赵淳生院士带领下研制的超声电机已应用在嫦娥六号探测器上，用于光谱仪驱动与控制。

与传统电机相比，超声电机具有响应快、精度高、噪声小、无电磁干扰等优点。嫦娥六号在月球背面自动采样时，超声电机会用来控制光谱仪接收反射光谱的镜面的方向和角度。

超声电机来之不易，研发道路上困难重重。嫦娥六号着陆的月球背面，对超声电机的设计提出了更为苛刻的要求，比如运行时的温度区间将在零下20℃至120℃。考虑到超声电机使用环境复杂多变，团队在高温环境下做了大量的试验，包括结构设计、材料选择、驱动控制，以及其他安全保障措施的设计。

我们延续了之前的研制路线，从2015年至今，团队工作人员做了大量自检和可靠性确认等方面的工作，一步步提升着超声电机的环境适应能力。但进行到最后一步时，环境适应性研究却暴露出了超声电机在高温环境下的稳定性问题。

怎么办？距离交付正样仅剩一个月时间，我与团队的几位教师一起昼夜不停守在试验系统旁，针对环境试验的每一条数据仔细分析排查，经历数十种关键材料配方的更换和百余次的环境试验，终于成功实现了超声电机在模拟月背大跨度温度环境下的稳定工作。

从建立试验系统到迈入科技领域前沿，坚持自主创新是我们团队取得成功的关键。依然记得，团队获批一项用于嫦娥三号任务的超声电机科研项目，助力嫦娥三号于2013年顺利探月，我国也成为继美国之后第二个将超声电机应用到外太空的国家。自豪的同时，我们更期待未来的载人登月。我国已于2023年正式立项，相关任务也已启动，我知道往前走殊为不易，但我们时刻准备着。

（光明日报记者 张蕾 詹媛 陈海波 崔兴毅 光明日报通讯员 彭丽 采访整理）

《光明日报》（2024年05月27日 07版）

来源： 光明网-《光明日报》

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