| 超微電動(dòng)機(jī)發(fā)展綜述
摘要：超微電動(dòng)機(jī)能夠滿足電機(jī)向微型化、低速和高精度等方面的發(fā)展需要，因而近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。文章綜述了各種超微電動(dòng)機(jī)的原理、發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域，詳細(xì)比較和分析了各種超微電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。超微電動(dòng)機(jī)的研發(fā)和優(yōu)化對(duì)醫(yī)學(xué)、航天和機(jī)器人等領(lǐng)域的研究具有重要的意義和價(jià)值。
關(guān)鍵詞：超微電動(dòng)機(jī)，靜電，電磁，壓電超聲波，磷致伸縮，形狀記憶合金
0概述
隨著超微電動(dòng)機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)的高速發(fā)展及集成電路制造技術(shù)的日趨成熟，可應(yīng)用集成電路制造技術(shù)加工微型可動(dòng)構(gòu)件并將其應(yīng)用于微系統(tǒng)中，逐步形成微機(jī)電系統(tǒng)。微機(jī)電系統(tǒng)主要包括微型結(jié)構(gòu)、控制器、動(dòng)力源、傳感器以及微執(zhí)行器等部分。微執(zhí)行器是微機(jī)電系統(tǒng)重要的動(dòng)力構(gòu)件，可通過(guò)靜電力、電磁力、壓電力、熱膨脹力、磁致伸縮、電液驅(qū)動(dòng)、超聲波以及形狀記憶合金膜片等驅(qū)動(dòng)。微執(zhí)行器的核心部件是超微電動(dòng)機(jī)，在微執(zhí)行器中占主導(dǎo)地位。1988年加利福尼亞大學(xué)巴庫(kù)勒依學(xué)院開(kāi)發(fā)出一個(gè)僅有頭發(fā)絲直徑大小的靜電超微電動(dòng)機(jī)，立即引起了國(guó)內(nèi)外對(duì)超微電動(dòng)機(jī)的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，包括我國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家在超微電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中進(jìn)行了大量的研究，各國(guó)科學(xué)家相繼研發(fā)出具有多種驅(qū)動(dòng)力輸出形式和用于各種微機(jī)械系統(tǒng)的超微電動(dòng)機(jī)”。本文對(duì)各種驅(qū)動(dòng)形式的超微電動(dòng)機(jī)的原理、性能及應(yīng)用做了較詳盡的分析和比較。
1超微電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理及研究現(xiàn)狀
l 1靜電電動(dòng)機(jī)
1 1 1工作原理及特性
靜電電動(dòng)機(jī)是利用電荷間的引力和斥力的相互
收稿日期：2008．08．29作用順序驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。靜電力屬
于表面力，與器件尺寸的二次方成反比，在尺寸微小化時(shí)，能產(chǎn)生很大的能量。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有磁性材
料和線圈。采用電壓或電荷控制，器件的制作工藝
與集成電路工藝相兼容，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，目前已成為微機(jī)電系統(tǒng)微驅(qū)動(dòng)器發(fā)展的重要趨勢(shì)。靜電電動(dòng)機(jī)按照電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部分材料和設(shè)計(jì)特點(diǎn)可分為介質(zhì)電機(jī)和導(dǎo)電極板電機(jī)(即變電容型電機(jī))，變電容型電機(jī)包括頂驅(qū)動(dòng)電機(jī)、側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、擺動(dòng)電機(jī)及法蘭盤(pán)電機(jī)，按照運(yùn)行方式的不同可分為旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)電機(jī)運(yùn)動(dòng)部分所處的媒質(zhì)不同可將電動(dòng)機(jī)分為液體驅(qū)動(dòng)電機(jī)和氣體驅(qū)動(dòng)電機(jī)變電容型靜電電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，備受人們關(guān)注。
1 1 2研究現(xiàn)狀及應(yīng)用
1 1 2 1研究現(xiàn)狀
靜電電動(dòng)機(jī)具有漫長(zhǎng)的發(fā)展歷史。在電磁電機(jī)
誕生一百多年前，愛(ài)爾福特的哲學(xué)教授(抽r-don發(fā)明龜鈴巢置，這可看作是靜電電動(dòng)機(jī)的雛形”之后很長(zhǎng)一段時(shí)間靜電電動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展緩_Lv 20世紀(jì)90年代，美國(guó)、德國(guó)、意大利、英國(guó)等歐美國(guó)家及日本、韓國(guó)、中國(guó)等都大力開(kāi)展靜電電動(dòng)機(jī)的研究。日本和美國(guó)是目前靜電電動(dòng)機(jī)研發(fā)最為先進(jìn)的國(guó)家。電機(jī)結(jié)構(gòu)上，日本主要研究直線型靜電電動(dòng)機(jī)，而美國(guó)等國(guó)家主要研究旋轉(zhuǎn)型電機(jī)，加工方式上，日本主要采用傳統(tǒng)機(jī)械加工手段金屬與塑料部件的切削、研磨)：美國(guó)主要采用硅表面微細(xì)加工技術(shù)：而德國(guó)則以L IGA德文光刻、電鑄、塑鑄)技術(shù)為代表，采用電鑄成型和鑄塑的方法形成深層微結(jié)構(gòu)。
靜電力與尺寸的平方成反比，隨著尺寸的減小而增大。根據(jù)靜電力的這種特性，各國(guó)學(xué)者紛紛致力于超微靜電電動(dòng)機(jī)的研究，電機(jī)尺寸一般為毫米或亞毫米。美國(guó)學(xué)者研制出轉(zhuǎn)子半徑75、125 pm的凸極多晶硅表面晃動(dòng)超微電動(dòng)機(jī)，****轉(zhuǎn)速可達(dá)35 ：加拿大學(xué)者研制出轉(zhuǎn)子直徑約60 pm
的靜電步進(jìn)超微電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖l所示；日本學(xué)者M(jìn)atSuzaki K等研制出轉(zhuǎn)子半徑為300 pm的毫米尺寸電機(jī)。但這些電機(jī)存在的****問(wèn)題是輸出轉(zhuǎn)矩過(guò)小，約為l×10州Nm數(shù)量級(jí)，定轉(zhuǎn)子耐直線型電機(jī)為動(dòng)子)問(wèn)摩擦較大、壽命短，離實(shí)用化有很大差距。為此，各國(guó)學(xué)者開(kāi)始研發(fā)高轉(zhuǎn)矩、大的
力體積比、小摩擦、高可靠性的靜電電動(dòng)機(jī)。這些性能的改進(jìn)，主要通過(guò)開(kāi)發(fā)新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，提出雙定子結(jié)構(gòu)的靜電電動(dòng)機(jī)，目前研究的靜電電動(dòng)機(jī)輸出矩可達(dá)到l×10～、l×10。Nm數(shù)量級(jí)：為提高力體積比，日本學(xué)者提出多層多元件疊式結(jié)構(gòu)超微電動(dòng)機(jī)，通過(guò)多個(gè)小元件集成，電機(jī)輸出推力可隨任何一個(gè)元件尺寸的減小及數(shù)量的增加而增大，獲得的高力體積比可與常規(guī)電機(jī)相比擬，日本研制出推力可到達(dá)幾十至幾百牛的靜電電動(dòng)機(jī)：為減小摩擦：瑞士、日本等的學(xué)者提出靜電懸浮結(jié)構(gòu)的電機(jī)，使轉(zhuǎn)子懸浮于定子上面或下面從而減小接觸摩擦：日本學(xué)者還提出在直線薄膜靜電電動(dòng)機(jī)的定子和動(dòng)子問(wèn)分散地放置直徑為幾微米的玻璃珠減小摩擦的方法。圖2為日本學(xué)者Higu等研制雙激勵(lì)多相靜電驅(qū)動(dòng)的
薄膜直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖M，電機(jī)可產(chǎn)生4 4 N的推力，當(dāng)將電機(jī)制成50層薄膜電機(jī)組成的疊式結(jié)構(gòu)時(shí)可產(chǎn)生320N的推力。
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