机电一体化微电机的开发现状和开展前景.docx

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1、机电一体化微电机的开发现状和开展前景lihan导语：机电一体化微电机是一种由多项技术复合形成的高科技产品,涉及到当代诸多的科学领域。【摘要】机电一体化微电机是一种由多项技术复合形成的高科技产品,涉及到当代诸多的科学领域。文中介绍机电一体化微电机的开发现状和开展前景,并举例阐述机电一体化微电机在工业领域的应用。【叙词】机电一体化微电机现状应用开展【Abstract】Mechatronicsmicromotorisakindofhightechniqueproductinvolvingmanysci2encefieldse.Thethesisintroducesitsexploitingstatu

2、sanddevelopingforeground,discribesitsapplicationinindustrywithexamples.【Keywords】machatronics,micromotor,status,application,development1引言随着电子技术,十分是微电子技术、计算机技术、新材料技术、自动控制技术以及生物工程技术等在微特电机上的不断应用,当代微电机已开展到以电子计算机等微电子软、硬件产品为中枢神经、传感器为耳目、电动机为手足、机械本体为驱干、电力电子器件等为生命源的新一代伺服驱动系统,这就是常讲的机电一体化1微电机。本文介绍机电一体化微电机的开发现

3、状和开展前景,并举例阐述机电一体化微电机在工业领域的应用。2机电一体化微电机的开发现状作为机电一体化系统的重要组成局部之一的驱动和执行局部,微电机是最常用的驱动元件和执行元件。70年代以后,随着大规模和超大规模集成电路和微型计算机的迅猛开展以及电力电子器件在微电机上的广泛应用,电机与机械部件在空间上的结合愈来愈严密,使得电机与电源、驱动系统、控制系统组合在一起,大大改善了系统的整体性能和效率,传统的感应电动机扩展了其应用领域,沟通调速系统正在很多方面取代直流调速系统。70年代末,国外研制成功永磁沟通伺服电动机,以其高效、体积小、重量轻以及运行性能好的特点在数控机床和工业机器人中得到迅速推广和应

4、用。美国国家电力电子应用中心PEACB.K.Bose教授把这种采用永磁材料制造的无刷电动机称之为高级马达AdvancedMotor,其系统的调速比可准确控制到1100000的程度。在这些精细调速系统中,采用了IGBT和MCT等新型电力电子器件,同时采用了数字信号处理器DSP,软件方面那么采用了专家系统。目前,国外在一些高精度数控机床和加工中心上已根本淘汰直流伺服电动机驱动系统。开关磁阻电机近年也有了迅速的开展,它是由电子控制器供电的无级调速系统,具有优良的调速性能,可与直流电机调速系统相媲美,是一种典型的机电一体化产品,已经推广到很多工业领域和家用电器领域。开关磁阻电机构造比直流电机简单,甚至

5、比笼型电机还简单,无换向器和电刷,转子铁心上无绕组,有可能在中小功率范围内与笼型电机争雄,会占有一局部市场,这个动向已引起欧美等国的重视。将控制和保护电路直接装在电机内,使控制电路和电机融为一体,这已不是鲜为人知的事。80年代初期开展起来的片状微电机,就是一个典型的范例。这种电机没有换向器和电刷,在线圈的空隙中放有用来检测转子位置的霍尔元件和检测转子速度的频率发生器FG,省去了电机附加测速发电机的特殊构造,并配有控制电枢电流和承受处理信号的电子电路。图1给出了这种片状无刷电动机的驱动回路图,它根本上有两局部组成,一是以频率发生器FG得到的速度信号,即电枢电流产生力矩反应电路的速度控制回路。二是

6、处理从霍尔元件得到的转子位置信号,适当地分配电枢电流的相位控制电路。片状微电机目前在OA、FA、HA以及FDD市场上应用广泛。机电一体化技术使微电机大大扩展了其应用领域和更新换代的速度。align=center图1片状无刷电动机驱动电路/align3机电一体化微电机的开展前景3.1超微电动机超微电动机是指那些外形非常小1mm以下,重量很轻,并且在同一块基板上硅或者其它材料,采用微电子技术和微加工技术制造出的机电一体化传动装置。超微电动机属于微机电系统MEMS的研究范畴,它的开展得益于1983年加利福尼亚大学巴库勒依学院RogerHowe研制成功的所谓牺牲层Sacrificiallayer技术。

7、采用该技术不仅能在硅片上较轻易地制造出微型构件,而且也能把它们整体直接装配在基片上构成一个整体。1988年7月,美国加利福尼亚大学的研究人员制成了厚度只有11.5Lm、直径100Lm的超微电动机,整个电机设计在一块集成电路芯片上,用静电力驱动,制造电机的材料是磷酸硅。我国目前已有数家正在进展研究,最早开场研究的是东南大学,但真正转起来的是3年前清华大学孙曦庆等报道的静电同步马达,转子直径120Lm,转速1200rmin,用芯片上的光电器件在线检测。中科院上海冶金所开发的超微静电电机,转子直径100Lm,转速在0.00120rmin之内连续可调,且采用径向力驱动,最小驱动电压为20V,比早期报道

8、的切向力驱动的静电电机具有更大的输出转矩,这些都充分说明了我国在超微电动机的研究开发方面具有一定的国际先进程度。外表微加工技术是制造超微电动机的关键技术,它是在制造经过中,把特定的器件和构造部件作为牺牲层,然后通过光刻牺牲层得到可挪动、可旋转的微小机械构造。在超微电动机制造经过中,通常以多晶硅作为构造材料,氮化硅薄膜作为电气绝缘材料,sio2作为牺牲材料。图2给出了采用多晶硅作为构造基片、经光刻加工技术而制造出的超微静电电机的构造示意图。align=center图2超微静电电机构造图/align超微电动机的应用前景特别广阔,十分是在人们尚未充分认识的微环境下,有待不断创始开展。采用微加工技术制

9、成的微型机器,可进入人体内部探查病灶、施行手术;超微电动机可用来冷却计算机芯片上的外表温度、校正激光束和光导纤维;微型机器人可到行星上去考察、进入潜艇内人无法进入的区域排除故障等。3.2鞭毛电动机鞭毛电动机BacterialFlagellarMotor是细菌在水中游动而使用的分子机械由蛋白质分子而形成的机械。鞭毛电动机在生物界中是唯一的旋转电动机,也是现存世界上最小直径50nm的电动机。据国外研究资料说明,鞭毛是由以数Lm大小的菌体中产生根据细菌的种类,可产生数个鞭毛,鞭毛是呈螺旋形的细长纤维,鞭毛的长度大体上从数Lm到10Lm之间,直径仅20nm左右。图3为鞭毛电动机的模型图,它是由10种左

10、右的蛋白质组成,鞭毛电动机掩含在膜内,由各个部件的蛋白质承当,使电动机旋转。例如,可推断出L环和P环的复合体起到轴承的作用,莫特Mott复合体起到定子的作用。鞭毛电动机的能量是由细胞外面到内部的离子流供应的。align=center图3鞭毛电动机模型/align4机电一体化微电机应用举例4.1工业缝纫机驱动系统从80年代开场,国外开场研究工业缝纫机用沟通伺服电动机驱动系统。日本的重机公司、兄弟公司、三菱公司以及松下公司等先后把沟通伺服电动机运用到各类工业缝纫机中,实现了工业缝纫机的电子化。通常,工业缝纫机驱动用的电动机和控制装置为一体化。图4给出了三菱公司消费的一种沟通伺服驱动系统。操纵者通过

11、杠杆局部的踏板操纵发出速度指令,通过改变电动机的频率和电压来得到所需要的电机转速,进而驱动缝纫机运转。控制回路中的编码器、电流检出器不断地反应电动机的速度、电流,并以此进展矢量控制。动作停顿必须使电动机减速,根据接收到的位置检出器信号和编码器上的信号来控制位置环,进而使缝纫机针停顿在正常位置。图5给出了松下公司消费的另一种沟通伺服驱动系统。该系统的特点就是功率控制回路的简单化和小型化,以及控制电源的小型轻量化、单片机化。控制用的微型计算机采用内藏2个CPU的高速双重微机MN18982松下电子工业消费,8bit,8KROM。两种驱动系统的不同在于,前一种采用IM感应电动机伺服方式,后一种那么采用

12、SM同步电动机伺服方式。align=center图4IM型沟通伺服驱动系统图5SM沟通伺服驱动系统/align4.2电主轴控制系统近年,在国外出现了一种新型控制系统,即采用磁力轴泵直线悬浮电动机控制主轴位置精度的电主轴磁力轴承高速主轴部件,它是通过当代电子调节技术使转子主轴保持较高的回转精度,具有较高的静动态刚度和电衰减特性,克制了滚动轴承在转速超过某一极限时20000rmin产生烧结、损坏等,转速达25000120000rmin。目前,国外已有一定数目的高速切削机床装有这样的电主轴控制系统。align=center图6磨床及磁力轴承控制系统方框图/align图6给出了日本精机开发的应用于内圆

13、磨床上的磁力轴泵控制系统方框图。转子无论从哪一方向靠近定子,空隙变大一侧的电磁铁的电流就增大,进而产生对转子的牵拉动作。变位传感器信号可不连续地与基准信号比拟,以检测偏离平衡位置的变位量,控制系统就按这个变位量为零的方式进展工作。5结语沟通伺服驱动系统是一种性能优异、极具开展潜力的机电一体化产品。从目前机床业的开展方面来看,主流仍然是数控机床CNC,伺服系统是数控系统的执行局部,它的性能好坏,将直接影响数控机床的加工精度和消费率,因此,开发高质量的沟通伺服驱动电机乃是今后需要努力的目的。将来机电一体化微电机的开展将会在集成和优化上下功夫,构成所谓的智能化电动机。微机械技术的兴起是一个值得重视的

14、开展方向,人们期望能用这项新技术不断地研制出复杂的执行器,甚至微型机器人。鞭毛电动机的研究虽仍在进展中,但它说明机电一体化微电机在今后的开展中,将把人们带进一个新的应用领域微观世界,同时也标志了机电一体化微电机将从此走入分子时代。1毛侃.关于机电一体化.机电一体化,199432万遇良.电工技术与机电一体化.现代电工科技开展论文集,中国电工技术学会,北京:199543唐苏亚.片状微电机的开展大概情况.微电机,199344唐苏亚.微细机械的研究动态及其应用前景展望.微电机,199545M.nehregary.-技术一至四现状上课题一.机械设计,1991146唐苏亚.磁力轴承及其在工业上的应用.微电机,199440