新型微电机的发展及应用

《新型微电机的发展及应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、新型微电机的发展及应用郑文鹏，张洲(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)近年来随着微电子、精密机械加工及新材料、新生物等高新技术的发展，以及人们对微电机要求的不断提高，出现了很多新型微电机，这些电机和传统电机相比，工作原理和工作方式都有较大不同，它们已经在各个领域的不同场合得到了广泛的应用，并且展现出优于传统电机的性能特点。具代表性的有超声波电机、形状记忆合金电机、磁致伸缩材料电机、静电电机、分子电机、磁流体电机、光热电机等。1超声波电机1．1超声波电机基本工作原理超声波电机(USM)也称为压电陶瓷电机，是利用压电陶瓷材料PZT或高分子PVDF薄膜材料的逆压电效应，通过转换压

2、电振子的超声振动形成驱动能力，实现超声波振动能转换成机械能并依靠摩擦力来驱动的一种全新结构的微特电机，它突破了传统电机的概念，没有绕组和磁路，不以电磁相互作用来传递能量。图1所示为超声波电机结构示意图⋯。它的定子由压电陶瓷和金属体构成，作为振动体；转子(移动体)是由摩擦材料和中空金属板构成。在弹簧压力下定子和转子表面相互接触，当对粘接在定子上的压电陶瓷施加几十千赫兹的高频电压时，沿定子圆周切线方向产生行波振动。这种振动传递给定子接触的摩擦材料，驱动转子旋转。这就是超声波电机的基本工作原理。1．金属转子：2．摩擦材料；3．定子弹性体；4．压电陶瓷：5．固定台：6．弹簧；7．螺母；8．轴承图1行波

3、超声波电动机结构示意图1．2超声波电机特点及应用与传统电机相比，超声波电机具有如下优点：低速大转矩，直接驱动，无减速齿轮；具有高自锁力矩，无需制动器；响应快，机电时间常数小；噪音低；不受外磁场干扰，也不对外界产生干扰。其不足是摩耗大，寿命短【2】。超声波电机由于其独特的性能，引起了国内外微电机工程界的广泛关注。经过二十多年的研究和开发，部分成果已经已经进入了实用化、商业化阶段，其中在相机调焦系统应用最多，另外机器人、宇航、精密仪器、汽车、办公设备、医疗设备、测控等方面也已大量应用【3]。超声波电机已经成为除传统电磁原理电机以外的应用数量最大、范围最广的一种新型电机。1．3展望与传统电机相比，超

4、声波电机还处于起步阶段，仍存在成本、寿命、压电陶瓷材料性能和输出效率低的问题。随着人们对超卢波电机的进一步研究和应用面的拓宽，相应问题逐步解决，超声波电机在机电一体化、精密定位、汽车、办公设备、医疗设备、光学仪器、微动机构、电子装备等领域将具有不可估量市场前景。2形状记忆合金电机2．1工作原理按照材料的不同类型，形状记忆合金电机可分为两类：温控形状记忆合金电机和磁控形状记忆合金电机。(1)温控形状记忆合金电机有一类特殊的金属材料，经适当的热处理后即具有同复形状的能力，这种材料被称为形状记忆合金(SMA)，这种能力亦称为形状记忆效应(SME)【4J。研究表明，很多合金材料都具有SME，但只有在形

5、状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的，才具有利用价值。通常，SMA能够完全恢复的形变量可达6％～8％，形状恢复时会产生很大的回复力(有的高达200MPa)。根据SMA的形状记忆特性，可按照不同需要做成不同形状、规格的驱动元件．SMA电机。然而，用SMA来制造运动与位置控制执行器有下述不足之处：由于SMA是一种温控材料，需要采用加热和冷却来控制其变形，实现起来不够方便。而且由于升温和降温皆需要一个过程，这就限制了SMA执行器的动态响应速度。此外其能量转换效率也较低。(2)磁控形状记忆合金电机磁控形状记忆合金(MSM)是1993年才被发现的一种新型具有形状记忆功能的合金材料，与温控型形状

6、记忆合金SMA不

7、_J，是一种磁控型的形状记忆合金。目前所用的MSM成分主要是Ni．Mn．Ga，其在室温下直线变形率可达10％，弯曲变形率町达18％。与磁控型的磁致伸缩材料相比，MSM具有大得多的变形率，其变形率超过超磁致伸缩材料Terfen01．D的变形率50倍以上。将MSM应用于位置控制执行器中，其主要具有以下显著的优点15J：1)具有较大的变形率；2)易于控制，且变形率与所施加的磁场强度有较好的线性关系；3)具有较高的动态响应速度，是温控型形状记忆合金频率响应速度的80倍：4)具有较高的能量转换效率和功率密度，MSM执行元件的输出机械功率密度已超过lkW／kg。2．2形状记忆合金电机的研

8、究现状与应用2．2．1SMA电机早在20世纪30年代就宵发现形状记忆效应的报道。80年代开发成功了FeMnSi系SMA，引发了人们对SMA研究的极大关注。随着科技发展的需要，在90年代，高温形状记忆合金、宽滞后形状记忆合金及合金薄膜等研究成为热点。(1)形状记忆合金机器人．34．形状记忆合金机械手、特别是微型机器人的研制开发，一直是SMA电机应用中的一个热点。形状记忆合金电机用作智能机器人的执行器