机电一体化微型电动机的开发及前景

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[摘要] 机电一体化微型电动机是一种由多项技术复合形成的高科技产品，涉及到现代众多的科学领域。文章介绍了机电一体化微型电动机的开发现状和发展前景，并举例阐述机电一体化微型电动机在工业中的应用。

[关键词] 机电一体化　微型电动机　现状　应用发展

0　引言

随着电子技术，特别是微电子技术、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动机上的不断应用，现代微型电动机已发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，这就是常说的机电一体化微型电动机。

本文介绍机电一体化微电机的开发现状和发展前景，并举例阐述机电一体化微电机在工业领域的应用。

1　机电一体化微型电动机的开发现状

作为机电一体化系统的重要组成部分之一的驱动和执行部分，微型电动机是最常用的驱动元件和执行元件。20世纪70年代以后，随着大规模和超大规模集成电路与微型计算机的迅猛发展以及电力电子器件在微型电动机上的广泛应用，电动机与机械部件在空间上的结合愈来愈紧密，使得电动机与电源、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，交流调速系统正在很多方面取代直流调速系统。

20世纪70年代末，国外研制成功永磁交流伺服电动机，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用。美国国家电力电子应用中心(PEAC)B．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电动机(Advanced Motor)，其系统的调速比可精确控制到1:100000的水平。在这些精密调速系统中，采用了IGB和MCT等新型电力电子器件，同时采用了数字信号处理器(DSP)，软件方面则采用了专家系统。目前，国外在一些高精度数控机床和加工中心上已基本淘汰直流伺服电动机驱动系统。

开关磁阻电动机近年也有了迅速的发展，它是电子控制器供电的无级调速系统，具有优良的调速性能，可与直流电动机调速系统相媲美，是一种典型的机电一体化产品，已经推广到许多工业领域和家用电器领域。开关磁阻电动机结构比直流电动机简单，甚至比笼型电动机还简单，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动机争雄，会占有一部分市场，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动机内，使控制电路和电动机融为一体，这已不是鲜为人知的事。20世纪80年代初期发展起来的片状微型电动机，就是一个典型的范例。这种电动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)，省去了电动机附加测速发电机的特殊结构，并配有控制电枢电流和接受处理信号的电子电路。它基本上由两部分组成，一是频率发生器(FG)得到的速度信号，即电枢电流产生力矩反馈电路的速度控制回路。二是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。片状微型电动机目前在OA、FA、HA以及FDD市场上应用广泛。机电一体化技术使微型电动机大大扩展了其应用领域和更新换代的速度。

2　机电一体化微电动机的发展前景

(1)超微电动机

超微电动机是指那些形状非常小(1mm以下)，重量很轻，并且在同一声基板上(硅或其他材料)，采用微电子技术和微加工制造出的机电一体化传动装置。

超微电动机属于机电系统(MEMS)的研究范畴，它的发展得益于1983年加利福尼亚大学库勒依学院RogerHowe研制成功的所谓牺牲层(Sacrificial Layer)技术。采用该技术不仅能在硅片上较容易地制造超微型构件，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1～1.5μm、直径100μm的超微电动机，整个电动机设计在一块集成电路芯片上，用静电力驱动，制造电动机的材料是磷酸硅。我国目前已有数家机构正在进行研究，最早开始研究的是东南大学，但真正转起来的是清华大学孙曦庆等报道的静电同步电动机，转子直径120μm，转速1200r/min，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静电电动机，转子直径100μm，转速在0.001～20r/min之内连续可调，且采用径向力驱动，最小驱动电压为20V，比早期报道的切向力驱动的静电电动机具有更大的输出转矩，这些都充分表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水平。

表面微加工技术是制造超微电动机的关键技术，它是在制造过程中，以特定的器件和结构部件作为牺牲层，然后通过光刻牺牲层得到可移动、可旋转的微小机械结构。在超微电动机制造过程中，通常以多晶硅为结构材料，氮化硅薄膜作为电气绝缘材料，SiO2作为牺牲材料。图1给出了采用多晶硅作为结构基片、经光刻加工技术而制造出的超微静电电动机的结构示意图。

1―绝缘层；2一转子支撑套；3―轴泵；4―转子；5―定子； 6―基片

超微电动机的应用前景十分广阔，特别是在人们尚未充分认识的微环境下，有待不断开创发展。采用微加工技术制成的微型机器，可进入人体内部探查病状、实施手术，超微电动机可用来冷却计算机芯片上的表面温度、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。

(2)鞭毛电动机

鞭毛电动机(Bacterial　Flagellar　Motor)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)。鞭毛电动机在生物中是唯一的旋转电动机，也是世界上现存最小(直径50nm)的电动机。

据国外研究资料表明，鞭毛是由以数微米大小的菌体中产生(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微米到10μm之间，直径仅20nm左右。图2为鞭毛电动机的模型图，它是由10种左右的蛋白质组成，鞭毛电动机掩含在膜内，由各个部件的蛋白质承担，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给的。

3　机电一体化微型电动机应用举例

(1)工业缝纫机驱动系统

从20世纪80年代开始。国外开始研究工业缝纫机用交流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交流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装置。图3给出了三菱公司生产的一种交流伺服驱动系统。操作者通过杠杆部分的踏板操作发出速度指令，通过改变电动机的频率和电压就得到所需要的电动机转速，从而驱动缝纫机运转。控制回路中的编码器、电流检出器不断地反馈电动机的速度、电流，并以此进行矢量控制。动作停止必须使电动机减速，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，从而使缝纫机针停止在正常位置。

图4给出了松下公司生产的另一种交流伺服驱动系统。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两个CPU的高速双重微机MNl8982(松下电子工业生产，8hit，8KB ROM)。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，后一种则采用SM(同步电动机)伺服方式。

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)，它是通过现代电子调节技术信号比较，以检测偏离平衡位置的变位置，控制系统就按这个变位为零的方式进行工作。

4　结束语

交流伺服驱动系统是一种性能优异、极具发展潜力的机电一体化产品。从目前机床业的发展方面来看，主流仍然是数控机床(CNC)，伺服系统是数控系统的执行部分，它的性能好坏，将直接影响数控机床的加工精度和生产率，因此开发高质量的交流伺服驱动电动机乃是今后需要努力的目标。

未来机电一体化微型电动机的发展将会在集成和优化上下功夫，构成所谓智能化电动机。微机械技术的兴起是一个值得重视的发展方向，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行中，但它表明机电一使转子(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，克服了滚动轴承在转速超过某一极限时(20000r/rain)产生烧结、损坏等，转速达25000～120000r/min。目前，国外已有一定数量的高速切削机床装有这样的电主轴控制系统。

图5给出日本七亻工一精机开发的应用于内圆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，空隙较大一侧的电磁铁的电流就增大，从而产生对转子的牵拉动作。变位传感信号可不间断地与基准体化微型电动机在今后的发展中，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。

5　参考文献

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