军民两用高性能超声电机的研发和产业化

南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 杨 淋 赵淳生

作动器是高端装备和智能装备的重要基础部件，广泛应用于航空航天、武器装备及机器人等领域，作为现代装备向高精度、高效率、高可靠性、智能化和轻量化方向发展的核心部件之一，其水平对提升国家科技影响力和国防威慑力具有重要作用。

一、研究背景

作动器性能包括精度、效率、可靠性、稳定性、功率密度、响应速度、电磁兼容性、环境适应性等。以电磁电机-减速传动机构为代表的传统作动机构，受传动链中间隙、弹性变形等因素的限制，其重量不易减轻，精度难以提高。同时，由于作动器在抗电磁干扰、改善高/低温和真空环境适应能力等方面都较差，需增配保障装置，从而导致系统的重量和复杂性增加、可靠性降低。20世纪 80 年代以来，在振动和波动学、摩擦学、机械设计、电力电子、材料及控制科学等多学科发展和交叉融合的基础上，新型作动器超声电机（USM）实现了从原理到实际运行的突破，已逐步成为发达国家提升航空航天器、武器系统等高端装备和智能装备运动与定位精度的关键部件之一。

超声电机及其结构分解图如图 1 所示。超声电压施加在压电陶瓷片上，使定子产生微幅波动，在定子和转子（动子）间界面的摩擦作用下，定子的微幅波动转换为转子（动子）的宏观转动（直线运动）。超声电机具有与电磁机不同的一些特点：（1）扭矩与重量比大（为电磁电机的 3～10 倍）；（2）无需减速齿轮箱，就能实现低速大扭矩等；（3）响应快（毫秒级）；（4）分辨率高，控制性好。此外，还具有断电自锁、电磁兼容性好、噪声小、可在真空和高/低温环境下工作、形状多样化、效率不随尺寸减小而下降等特点，这些正是航空航天器、武器系统等高端装备和智能装备特别需要的。

自20世纪 80 年代开始，超声电机技术在日本得到了长足的发展，在90 年代末达到商业化水平。90年代，日本 Canon 公司花费 10 亿日元建立了一条超声电机生产线，年产 20万～40 万台超声电机，并成功应用在照相机自动聚焦系统、手表、汽车、机器人、核磁共振仪、电动窗帘以及卡片传输机等产品上。丰田公司成立了专门生产超声电机的子公司，将超声电机应用在汽车工业。此外，日本 Shinsei 公司、Technohands 公司、Fukoku 公司、Seiko 公司也都在销售超声电机。图2为超声电机在高端装备和智能装备上的应用。此后，其他发达国家如美国、德国、法国、以色列、韩国等，也掀起了研究和应用超声电机的热潮，他们投入了大量人力、物力开发超声电机，努力追赶日本。目前，美国 DTI 公司、Micromechatronics公司、Piezo Systems 公司、New Scale Technologies 公司，韩国Piezo Electric Technology 公司，德国 PI 公司和Ellipt 公司，以色列 Nanomotion公司，英国 Morgan、Flexmotor 公司，瑞典 Piezomotor 公司等都在研究或生产超声电机。特别值得注意的是，美国正在不断把超声电机应用在航空航天器和武器系统上。

早在1997 年，美国国家航空航天局（NASA）与麻省理工学院（MIT）合作，首次将超声电机应用于火星探测器：MicroArmⅠ使用了1台力矩为 0.05 N·m的超声电机；MarsArm Ⅱ使用3台力矩为 0.68 N·m 和1台力矩为0.11 N·m 的超声电机，它们比具有同等功能的直流电机轻 40%。随后，美国又在核弹头解密锁和导弹制导中应用了超声电机。据美国国防部导弹防御组织（BMDO）报道，AERC 公司正在按照合同为BMDO 研发超声电机，并使之应用于导弹子系统的安全引信装置中。为了研发 BMDO 要求的原型超声电机，AERC 公司和美国联合信息公司（美国国防部八大军火供应商之一）签订了合同。AERC 公司是美国制造超声电机最好的工厂之一，且得到美国能源部的支持。在国防和国家安全领域，受到一些关键性能的限制，传统伺服电机和步进电机不再适用，而早在2008 年美国 DTI 公司就曾报道过，该公司研制的新型超声电机系统可应用于这些领域。最近几年，美国一直致力于将超声电机推广应用于智能飞机上，NASA正在研制隐形智能机翼。他们分别对电磁电机、形状记忆合金、电活性聚合物、压电/液压泵以及超声电机进行了试验，结果表明应用超声电机的方案效果最好，可实现无铰链的变形翼展、高效和快速驱动，达到 80°/s偏转速率，能有效抑制飞机颤振。

二、超声电机技术的发展

在20 多年时间里，南京航空航天大学赵淳生院士研究团队开展的超声电机研究工作取得显著成果，研发了3个系列（板式、杆式和空心式）， 60多种样机；发表论文700多篇，出版中、英文专著《超声电机技术与应用》各一部；申请了300多项国家发明专利，其中已授权170多项；赵淳生院士获得“江苏省十大杰出专利发明人”荣誉称号；“超声电机的研究”项目获国防科学技术进步奖一等奖，“新型超声电机技术”获国家技术发明奖二等奖；“大行程、高精度、快响应直线压电电机”获教育部技术发明奖一等奖和国家技术发明奖二等奖；2014年赵淳生院士先后获得何梁何利基金科学与技术进步奖，IWPMA（Interational Workshop on Piezoelectirc Materials and Applications in Actuators）组委会颁发的“压电超声领域终生成就奖”及美国Virginia Tech的能量收集材料和系统中心（CEHMS）颁发的“超声电机技术突出贡献奖”；作为起草单位制定了军用超声电机技术标准；主导制定的超声电机技术国家标准已完成初稿；目前已着手起草国际超声电机技术标准。

为了响应国家军民融合发展战略的号召，依托南京航空航天大学并以赵淳生院士团队为核心，成立了南京航大超控科技有限公司，将不断推动超声电机走向产业化。其中小批量生产的超声电机产品已用于嫦娥3以及其他卫星上，效果显著，如图3所示。民用方面，超声电机已应用于核磁共振注射器、细胞穿刺装置及多种光学仪器上。表1为南京航大超控科技有限公司生产的超声电机产品的性能指标。

三、加速发展高性能的超声电机系统

表1 超声电机产品的性能指标

现阶段我国生产的超声电机的性能还不能完全满足航空航天器、武器系统等高端装备和智能装备的要求。虽然国外生产的超声电机性能不断提高，在航空航天器、武器系统等高端装备和智能装备中已经广泛应用，但由于涉及航空航天、武器装备等领域，超声电机核心技术资料均处于保密状态，鲜有文章发表，其产品也禁止对我国出售。因此，我们只能依靠自己的力量，对超声电机技术进行更深入、更系统的研究，从提高超声电机的精度、稳定度、耐冲击强度和降低转速极限等方面入手，研制出能满足高端装备和智能装备要求的超声电机，以打破其他国家在高性能超声电机产品上对我国的封锁。为此，针对航空航天、武器装备和医疗器械等领域对超声电机的要求与应用现状，以赵淳生院士团队现有的超声电机技术为基础，对超声电机定子和转子系统的结构与材料进行优化设计，深入而系统地研究超声电机，揭示其系统的时变非线性规律， 提出实现超声电机系统高精度、高稳定度和极慢转速输出的驱动与控制理论和方法，研制出一种精度、稳定度、强度和转速梯度都较高的超声电机，其结构简单、紧凑、制造方便， 可实现以下性能指标：（1）位置精度高于1"；（2）位置分辨率优于0.1"；（3）转速稳定度接近编码器极限精度；（4）极低转速，可达到0.5"/s（1r/月）；（5）耐冲击加速度（峰值）不小于20000g（g为重力加速度）。

为了实现上述性能指标，必须研究和解决以下关键技术：（1）超声电机定、转子进一步优化设计理论及方法，如建立响应面模型，最后通过相应算法获取定、转子尺寸的目标最优解；（2）研制碟形弹簧，保证超声电机在零刚度区域内工作，实现超声电机预压力的恒定，从而提升超声电机的精度、稳定度；（3）研究超声电机非线性现象及其控制规律，增加超声电机运行的稳定性；（4）实现超声电机高精度、高稳定度的驱动与控制，设计出双PWM 拓扑结构超声电机驱动控制器，实现驱动信号的精确控制；（5）优化超声电机的结构和材料设计，研制出能耐20000g冲击加速度（g为重力加速度）的超声电机。

本文得到国家自然科学基金面上项目（项目号：51575265）、江苏高校优势学科建设工程资助。