超声波电机的优缺点，超声波电机应用领域

你听说过超声波电机吗？这是一种在高精尖领域用得比较多的新型电动机，现在也慢慢往民用领域走。中国科学家赵淳生院士，经历过两次癌症、三次手术，仍然带病坚持奋斗，就是想把属于中国的超声电机产业做起来。今天就带大家认识一下这种新型电机。这也是一个粉丝给我布置的任务。我本人工作比较忙，创作频率不高，所以答应网友要讲的不少东西还没落实，这里也请大家见谅。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、超声波电机到底是个啥？

超声波电机，并不是靠空气里的超声波去推着电机转。它干活的路子是：先把电能变成高频机械振动，再靠这种高频振动和摩擦来带动做功。因为这种高频振动刚好落在超声波的频率范围里，所以叫超声波电机。它发出来的声音人耳听不见，所以这类电机算得上“静音电动机”，能用在特别需要安静的场所。再加上它不需要线圈和磁铁，也不靠气体膨胀来推动，所以体积可以做得非常小，小到1毫米左右都能做出来，很多需要微型电动机的地方都能用上。

超声电机真正的工作原理其实挺复杂，得精心设计，才能把电能稳稳当当地变成机械能。这里可以做个简化理解：它靠振动波和摩擦力带着转子运动，从而对外做功。你可以把它想成海浪推小船——小船自己没法自由移动，但只要海浪用得好，就能把船推到岸边。海浪是动起来的水波，超声电机用的也是动起来的振动波。

超声电机的关键零件是压电陶瓷，也叫压电材料。这种材料接上电线以后，你压它一下，它就能产生电流，这叫压电效应。反过来，给它加一个电压，它也会发生形变，这叫逆压电效应。超声电机用的就是逆压电效应。

如果给压电材料通上交流电，它就会跟着电压变化而振动；交流电频率越高，它振动得越快。要想达到超声频率的振动，得提供2万赫兹到10万赫兹的交流电，而不是家里用的50赫兹交流电。为了让压电材料有效振动，对交流电电压也有要求，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，再在弹性片上布置摩擦系数高、又耐磨的材料，这样才能靠摩擦力带动转子运动。所以这种电机的设计和生产并不简单。

二、超声波电机都用在哪？

超声电机这个概念最早在1948年就提出来了，但直到1982年，日本科研人员才把实际应用问题解决掉，之后超声电机在日本产业界被广泛用开。比如大家熟悉的佳能相机，就用超声电机来控制调焦系统。超声电机容易做小、工作响应快、噪音低，断电以后还能自动锁死，不会随便乱动，所以成了一种很有特点的电动机，用在不少场合。美国最早把这种电机用到航天领域，还把携带超声电机的设备送上了火星。

中国开展超声电机研究比较晚，但随着研究力量不断投入，跟发达国家的差距越来越小。赵淳生院士了解到超声电机的优势后，就开始做相关研究。赵院士带着科研团队攻克了一个又一个难关，短短几年就研发出了一系列成熟的超声电机，还把超声电机装到了嫦娥三号上面，使中国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，也都用上了自己国家生产的超声电机。目前，这项技术正在从航天领域向民用领域转型推广。

在航天领域，超声电机的前景很大。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，微型机械领域、需要高精度的芯片生产领域、需要安静环境的场所，以及医疗器械领域，也都能大量应用超声电机。

特别值得一提的是，核磁共振设备本身有极强的磁场，对普通电磁电动机干扰很强，需要做特殊防护；而超声电机不受电磁干扰，在强磁场下照样能正常工作，是很适合做核磁共振驱动电机的。另外，超声电机可以做得体积小、质量轻，在内窥镜领域也能大量应用。既有能实现直线运动的直线超声电机，也有能实现旋转的超声电机，而且都能做到微型化。可以想象，将来的微创机器人手术，很可能也会大量用上这类电动机。据说现在还在研究可以自动调焦的眼镜，以后戴眼镜就更方便了，看不清楚时自己就能调节眼镜度数。

三、超声波电机也有短板

超声电机在各领域的应用肯定会越来越多，在电机领域也会占有一席之地。但它也有自己的缺点，这里简单说一下。

首先，这种电机寿命比较短，因为它是靠摩擦来带动的。大家都有经验，靠摩擦的东西，寿命往往不会太长。轮胎也好、鞋底也罢，时间一长就开始打滑。超声电机自然也会慢慢打滑，所以需要研发特殊的耐磨材料，适当把寿命延长。

其次，影响超声电机工作的因素太多，对性能的影响很难估测。比如温度，电机一开始工作就会产生热量，温度一变，很多参数也跟着变，超声电机的性能参数就会不断变化。再比如，从电能变成最终的机械能，中间有好几次能量传递，这中间的参数变化非常复杂，给电机的精准调控带来很大难度。

此外，其他部件的材料性能，也会给超声电机的研发和控制带来很大难度。换句话说，想让超声电机足够成熟，还需要很长时间的磨合。只有不断大量应用，才能不断发现问题、解决问题，最终把这种电机完善起来。

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。但随着日本经济低迷，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迟早会被超越。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，就看谁能占据足够大的市场。