微電機的應(yīng)用前景
| 電能是現(xiàn)代大量應(yīng)用的一種能量形式，而電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用和控制等，都必須利用電機這種進(jìn)行能量變換或訊號變換的電磁裝置。因此，電動機作為機械化、電氣化和自動化的原動機，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)研究和人民物質(zhì)文明生活的各個領(lǐng)域，例如電動機在汽車上的應(yīng)用情況見表1。20世紀(jì)末以來，由于功率電子學(xué)、微電子學(xué)、控制論、精密機械制造技術(shù)等先進(jìn)學(xué)科的滲透，使各類電機成為各種機電系統(tǒng)中一個較為重要的元件。20世紀(jì)的特點是由電氣化時代進(jìn)入原子能、計算機及自動化時代，它不僅對電機提出了諸如性能良好、運行可靠、單位容量輕、體積小等方面愈來愈多的要求，而且隨著自動控制系統(tǒng)和計算裝置的發(fā)展，在旋轉(zhuǎn)電機的理論基礎(chǔ)上，發(fā)展出多種高可靠性、高精度、快速響應(yīng)的控制電機，成為電機學(xué)科的獨立分支。 20世紀(jì)90年代以來，日本的小電機產(chǎn)量受到電子產(chǎn)品、通訊產(chǎn)品、家用電器、轎車等行業(yè)的刺激，迅速得到發(fā)展，年產(chǎn)量達(dá)到全球產(chǎn)量的80%以上，1995年生產(chǎn)了32億臺，占全球產(chǎn)量的83%，產(chǎn)值達(dá)75億美元，幾乎壟斷了全球市場。日本以外的產(chǎn)量大小依次排序為：中國、馬來西亞、菲律賓、泰國、美國、韓國、印尼、西班牙、新加坡等地。 微特電機及其應(yīng)用 微特電機是電機的一個主要分支，20世紀(jì)末以來，直線電機、低速電機、超聲波電機、DH電機及其它微電機發(fā)展迅速。微特直線電機多采用在自動控制系統(tǒng)中作為伺服電動機，或者作為一種執(zhí)行元件使用。近年來，隨著自動控制技術(shù)和微型計算機的高速發(fā)展，對各類自動控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求。在這種情況下，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機再加上一套變換機構(gòu)組的直線運動裝置，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求。 為此，近年來世界許多國家都在研究發(fā)展和應(yīng)用直線電機，使得直線電機越來越受到電機制造商的重視和關(guān)注。 微特直線電機特點 ★ 機械結(jié)構(gòu)簡單，不需要一套變換裝置 ★ 系統(tǒng)的定位精度高 ★ 反應(yīng)速度快、靈敏度高 ★ 尺寸緊湊，重量 輕部件少等 目前，以微特直線電機為主要控制元件的新型設(shè)備和儀器儀表正在國際市場上大量涌現(xiàn)。如小型記錄儀中指示器、控制器、計算機磁盤上用的磁頭驅(qū)動裝置等均采用了直線電動機。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年在這一領(lǐng)域內(nèi)所需微特直線電機達(dá)50萬臺。在機床領(lǐng)域內(nèi)，隨著機床向高速化、高精度化方向發(fā)展，直線懸浮電動機（電磁軸承）在高速切削機床和高速主軸部件上的應(yīng)用也日趨廣泛。它是采用懸浮技術(shù)使電動機的動子懸浮在空中，其轉(zhuǎn)速可高達(dá)25000?00000r/min以上。這種直線懸浮電動機目前在日本、法國、美國、德國等許多國家已進(jìn)入實用。 微特直線電機在醫(yī)療器械方面也有廣泛的應(yīng)用。例如日本山田一先生采用直線電機作為人工心臟的泵驅(qū)動器，該裝置可用作植入式人工心臟。 此外，微特直線電機在家用電器方面的應(yīng)用近年來也漸成時尚，如目前已進(jìn)入商品化的直線電動窗簾、電動門、電動鎖等都是利用直線電機進(jìn)行驅(qū)動的。日本已研制出在家用洗衣機上采用直線電動機進(jìn)行驅(qū)動攪拌器，這是一種180度反轉(zhuǎn)方式的洗衣機，與采用旋轉(zhuǎn)電機的洗衣機相比，零件數(shù)明顯減少，約為旋轉(zhuǎn)電機洗衣機的1/10，故成本大為下降；其次是壽命長，不需維護(hù)，每天使用24小時，能連續(xù)運行7年；第三是能夠在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)洗滌能力及攪拌機的速度。 低速電機及其應(yīng)用 傳統(tǒng)電機都是以高速旋轉(zhuǎn)的，一般為：2800、1400、960、720r/min四種轉(zhuǎn)速，這種轉(zhuǎn)速很難滿足各種工業(yè)設(shè)備運行的需要，90%的電機必須與龐大的減速機構(gòu)配套使用。在伺服系統(tǒng)中，電機采用齒輪轉(zhuǎn)動后，不僅使系統(tǒng)尺寸、重量增加，而且造成噪聲、增加慣量及降低效率。同時，由于齒輪嚙合精度的限制，在要求正反轉(zhuǎn)和平穩(wěn)快速反應(yīng)時，齒輪轉(zhuǎn)動往往影響系統(tǒng)性能。隨著宇航、衛(wèi)星、火箭等尖端技術(shù)的發(fā)展，低速電機應(yīng)運而生。這種電機體積小、重量輕，直接輸出較低的轉(zhuǎn)速，無需再用減速機，同時能輸出大轉(zhuǎn)矩。因為低速電機轉(zhuǎn)速低可直接驅(qū)動機械設(shè)備，既節(jié)約了能源，又降低了成本。 一般低速電機是指每分鐘在幾十轉(zhuǎn)以下的電動機。它的定子為一般結(jié)構(gòu)，嵌有勵磁繞組，轉(zhuǎn)子則由柔性材料制成。運轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)子作波形運動，即由橢園變形發(fā)生的擺線運動，從而直接獲得低速旋轉(zhuǎn)。由于它的構(gòu)造原理獨特，性能優(yōu)越，低速電機已成為當(dāng)代電機產(chǎn)品的主流之一。1963年，美國聯(lián)合制鞋機械公司（USM）首先發(fā)明了伺服低速電機，并被成功地應(yīng)用于宇航、衛(wèi)星等高技術(shù)領(lǐng)域。之后，日本引進(jìn)美國全套技術(shù)，并依此原理制成了諧波傳動電動機（Resposyn）。 近年來，美國又在研制通用低速電機，并在通用低速電機研究與生產(chǎn)處于************水平，生產(chǎn)廠主要是HDSG公司。該公司生產(chǎn)的低速電機與美國的不同，其優(yōu)點更為突出，該電機輸出轉(zhuǎn)速僅2.8r/min。這一先進(jìn)技術(shù)代表著電機發(fā)展的一個方向。 低速電機的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣闊，尤其在低速運行場合更加顯示出非同一般的優(yōu)越性。它使整個傳動系統(tǒng)大為簡化，結(jié)構(gòu)緊湊，成本降低，整機噪聲下降，促進(jìn)產(chǎn)品上水平、上檔次。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年需要生產(chǎn)近600萬臺，其市場前景極為樂觀。同時，由于省去了減速機構(gòu)，傳動系統(tǒng)大為簡化，機械效率相應(yīng)地提高，因而節(jié)約了能源和大量的原輔材料，其社會效益亦極為可觀。以醫(yī)用X光機的床身翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)為例，如改用低速的電機，就能省掉原來龐大笨重的齒輪、蝸輪、蝸桿、絲桿構(gòu)成的減速系統(tǒng)，直接驅(qū)動床身翻轉(zhuǎn)，從而提高整機產(chǎn)品的綜合性能指標(biāo)，這種X光機我國每年約生產(chǎn)4000臺。 超聲電動機 超聲波電動機是國外最近幾年發(fā)展起來的一種新型電動機。超聲波電動機突破了傳統(tǒng)的電磁電動機的概念，它沒有磁場，不依靠電磁相互作用來轉(zhuǎn)換能量，而是利用壓電陶瓷元件的逆效應(yīng)和超聲振動，將材料的微觀變形通過機械共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)型）或滑塊（直線型）的宏觀運動。超聲波電動機與傳統(tǒng)電磁電動機相比，它具有慣量小、響應(yīng)快、控制特性好、不受磁場影響，其本身亦不產(chǎn)生磁場、運動準(zhǔn)確等特點。特別是它具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、噪聲低、低速時輸出大轉(zhuǎn)矩以及直接驅(qū)動負(fù)載等優(yōu)點。它不需要附加齒輪變速機構(gòu)，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的振動、沖擊與噪聲、低效率、難控制等一系列問題。 超聲波電動機的雛形最早由前蘇聯(lián)在60年代初提出，但未研究下去。1973年美國IBM的H·V·Barch首次研制成功以振動能量作為驅(qū)動源的電動機。超聲波電動機是在八十年代走向?qū)嵱谩?982年日本研制成功了兩種實用的超聲波電動機，即駐波型和行波型。此后十多年間，日本、美國、俄羅斯、德國競相研制各種類型和用途的超聲波電動機，迄今已達(dá)數(shù)十種之多。 超聲波電動機的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，目前主要用于照相機的自動聚焦，這主要是由于超聲波電動機適應(yīng)了這種高轉(zhuǎn)矩的需要，而且中心位又可以做中空結(jié)構(gòu)的緣故。其它方面，如機床設(shè)備、機器人、汽車、辦公設(shè)備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域都有應(yīng)用。專家預(yù)計，隨著人們對超聲波電動機的進(jìn)一步研究和應(yīng)用面的拓寬，到2000年，該電機保守估計全世界將形成幾十億美元的銷售額，若在汽車工業(yè)以及辦公自動化設(shè)備上得到充分推廣應(yīng)用，那么其銷售額至少在百億美元以上。 DD和HD電動機 DD電動機（Direct Drive Motor）具有低速、大轉(zhuǎn)矩的特點，與伺服電動機加減速機方式相比，具有無齒隙游移，機械剛性高以及無需維護(hù)等優(yōu)點，并可實現(xiàn)高精度高位置控制。因此，在高速、高精度的位置定位、搬運等場合得到廣泛應(yīng)用。目前，所使用的DD電動機大體上有DC無刷型，可變磁阻型（VR）和混合型（HB）等幾種，而這幾種電動機尚存在體積大、鐵芯利用率低以及單位體積輸出轉(zhuǎn)矩小等缺點，因而在一些精密機床以及特殊場合下的應(yīng)用受到限制。 近年來，國外開發(fā)了一種可實現(xiàn)小型、大轉(zhuǎn)矩化的電動機，即HD電動機（High Density Motor）。它是采用高性能的永久磁鐵和獨特的磁回路的DD電動機與小型、高性能AC伺服驅(qū)動器組合而成的機電一體化產(chǎn)品，和傳統(tǒng)的DD電動機相比，實現(xiàn)了電動機的小型化和大轉(zhuǎn)矩化。 HD電動機可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式，其主要特點：一是轉(zhuǎn)矩（推力）大。在相同體積的情況下，與VR型和HB型電動機相比，其輸出轉(zhuǎn)矩（推力）可提高2倍左右；二是效率高、線性度好。與DC無刷型電動機相比，HD電動機銅耗小，溫升低，因而效率高。與采用永久磁鐵的VR型電動機相比，則電流一轉(zhuǎn)矩特性的線性度好。三是高剛度、高精度。旋轉(zhuǎn)式HD電動機采用雙列式滾動軸承，因而剛度高，且電動機可直接與負(fù)載連接，系統(tǒng)的定位精度高；四是中空穴結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)式HD電動機采用中空穴結(jié)構(gòu)，其中間可以通過配線、配管，因而使整個電機更趨于合理、緊湊。 HD電動機應(yīng)用領(lǐng)域很廣，特別是在高精度的機床設(shè)備以及機器人上的應(yīng)用尤為突出，如： 機床工作臺驅(qū)動 直線電動機的自身質(zhì)量小，產(chǎn)生的推力由于直接作用在移動物體上，故可得到高效率的驅(qū)動特性。日本神鋼電機株式會社采用HD型直線電動機驅(qū)動高速多工序自動數(shù)控機床（M/C）工作臺，其被驅(qū)動部分的質(zhì)量為255kg。試驗結(jié)果表明：******加速度為1.3g，速度閉環(huán)的帶寬為150Hz,而傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電動機加變速裝置方式僅為0.3g和80Hz。 立式磨床的主軸驅(qū)動 日本一些公司已經(jīng)在高精度的立式磨床上使用HD電動機進(jìn)行主軸驅(qū)動。它與傳統(tǒng)的皮帶驅(qū)動相比，可得到振動小、平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)特性以及高精度的加工品質(zhì)，同時由于沒有齒輪、皮帶輪、皮帶等轉(zhuǎn)動部件，因而噪聲小，可靠性高，既節(jié)約了能源，又提高了效率。 振動試驗裝置 在進(jìn)行動力學(xué)研究時，需要使用振動試驗裝置，過去一直使用油壓方式的傳動機構(gòu)，由于需要油壓泵，蓄電池等大型設(shè)備，因而維修復(fù)雜，能量效率低，且控制復(fù)雜。由于HD技術(shù)的出現(xiàn)，大推力直線電機的制造已成為可能，用HD型電動機制成的振動試驗裝置，具有良好的線性特性高速性能。在5Hz以下的頻率范圍可得到良好的力控制以及加速度控制特性。這種振動試驗裝置，目前在日本已進(jìn)入實用。 移動機器人 清潔室內(nèi)搬運的機器人，通常采用輪式的HD型DD電動機作為驅(qū)動輪。該電動機內(nèi)部裝有制動器，轉(zhuǎn)子外圓直接安裝在輪胎上，對車輪進(jìn)行驅(qū)動，故可獲得低污染、低噪聲以及平滑的機械特性和良好的控制性。 HD電動機由于具有高剛性、高精度、無刷化以及小型大轉(zhuǎn)矩化的特點，因而是很有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)品。 其它微特電機 片狀微電機 通常，把微小型化、采用片狀線圈、軸向磁路結(jié)構(gòu)的微電機稱之為片狀微電機。片狀微電機是八十年代初期發(fā)展起來的一種新型電機，它一出現(xiàn)就獲得電唱機、盒式錄音機、錄象機、攝像機等音響、錄象設(shè)備AV（即Audio-Video）制造廠商的青睞，近年來發(fā)展到軟盤驅(qū)動器等計算機外部設(shè)備。這種片狀微電機對電子產(chǎn)品的小型化發(fā)展十分有益。 目前，片狀微電機的應(yīng)用范圍廣，特別是在OA、HA市場上有著廣泛的應(yīng)用。如用于HDD、FDD以及LBP的主軸驅(qū)動等；用于盒式錄放機、隨身聽、盤式磁帶機、卡拉OK機、DAT、汽車立體聲、卡式CD、攜帶式CD以及MD唱機的輸帶、卷盤等，需求量相當(dāng)可觀。有關(guān)專家預(yù)測，到21世紀(jì)，全世界片狀微電機的應(yīng)用化程度可形成數(shù)百億元的市場規(guī)模。 超微電動機 所謂超微電動機，是指那些形狀非常小（1mm）以下、重量很輕，并且在同一塊基板上（硅或其它材料），采用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)制造出的電機一體化傳動裝置。 超微電動機的應(yīng)用前景是十分廣闊而誘人的，特別是在人們尚未充分認(rèn)識的微環(huán)境下，有待不斷開創(chuàng)發(fā)展。采用超微電動機和其它微電子機械制成的微型機器人，可進(jìn)入人體內(nèi)部探查病灶，實施手術(shù)；超微電動機可與集成電路制成的各種專門器件，在光通訊、航天、航空、計算機等領(lǐng)域更有重大的應(yīng)用價值。 鞭毛電動機 鞭毛電動機是細(xì)菌在水中用于游動而使用的分子機械（由蛋白質(zhì)分子而形成的機械）。鞭毛電動機在生物界中是唯一的旋轉(zhuǎn)電動機，也是世界上最?。ㄖ睆?0nm）的電動機。 據(jù)國外研究資料表明，鞭毛是從數(shù)um大小的菌體中產(chǎn)生的，鞭毛長度大體上從數(shù)um到10um之間，直徑僅20um左右。從電子顯微鏡中可看出，鞭毛電動機的能量是從細(xì)胞外面到內(nèi)部的離子流中獲得的。 未來鞭毛電動機將廣泛地應(yīng)用于生物領(lǐng)域，科學(xué)家們設(shè)想開發(fā)活體執(zhí)行器?，F(xiàn)在的電磁電機重量輕，由于傳輸電力和信號需要很多的導(dǎo)線，因而在微觀世界上無法應(yīng)用。 球形電動機 隨著機械系統(tǒng)日益復(fù)雜化，尤其是對機器人、機械手等精密裝置的性能要求越來越高，傳統(tǒng)的單自由度的驅(qū)動電機，要實現(xiàn)二個自由度以上的運動需要二個或多外伺服電機通過復(fù)雜的機械連續(xù)實現(xiàn)，這不僅造成機械手體積大、重量重，而且系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能差。而球形電機可作三自由度運動，大大的簡化機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，體積小、重量輕，系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)情能高，因此在機器人、機械手、火炮炮塔轉(zhuǎn)臺等需作多自由度運動的場合有較大的應(yīng)用價值。 微電機發(fā)展趨勢 隨著科技的發(fā)展，未來微電機涉及的學(xué)科將更加廣泛，其發(fā)展趨勢將是集成和優(yōu)化。同時，微電機將向著生物領(lǐng)域和芯片領(lǐng)域進(jìn)軍。微電機行業(yè)也將隨著新技術(shù)、新材料的采用而注入更強的生命力。 |
