機(jī)電一體化微電機(jī)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展前景
唐蘇亞 (江蘇漣水縣經(jīng)濟(jì)委員會(huì)223400)
【摘 要】機(jī)電一體化微電機(jī)是一種由多項(xiàng)技術(shù)復(fù)合形成的高科技產(chǎn)品，涉及到現(xiàn)代眾多的科學(xué)領(lǐng)域。文中介紹機(jī)電一體化微電機(jī)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展前景，并舉例闡述機(jī)電一體化微電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
1 引 言
隨著電子技術(shù)，特別是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、新材料技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及生物工程技術(shù)等在微特電機(jī)上的不斷應(yīng)用，現(xiàn)代微電機(jī)已發(fā)展到以電子計(jì)算機(jī)等微電子軟、硬件產(chǎn)品為中樞神經(jīng)、傳感器為耳目、電動(dòng)機(jī)為手足、機(jī)械本體為驅(qū)干、電力電子器件等為生命源的新一代伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這就是常說(shuō)的機(jī)電一體化[1]微電機(jī)。
本文介紹機(jī)電一體化微電機(jī)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展前景，并舉例闡述機(jī)電一體化微電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
2機(jī)電一體化微電機(jī)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀[2-3]
作為機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要組成部分之一的驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行部分，微電機(jī)是最常用的驅(qū)動(dòng)元件和執(zhí)行元件。70年代以后，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展以及電力電子器件在微電機(jī)上的廣泛應(yīng)用，電機(jī)與機(jī)械部件在空間上的結(jié)合愈來(lái)愈緊密，使得電機(jī)與電源、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組合在一起，大大改善了系統(tǒng)的整體性能和效率，傳統(tǒng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域，交流調(diào)速系統(tǒng)正在很多方面取代直流調(diào)速系統(tǒng)。
70年代末，國(guó)外研制成功永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)，以其高效、體積小、重量輕以及運(yùn)行性能好的特點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人中得到迅速推廣和應(yīng)用。美國(guó)國(guó)家電力電子應(yīng)用中心(peac)b．k．bose教授把這種采用永磁材料制造的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)稱之為****馬達(dá)(advanced motor)，其系統(tǒng)的調(diào)速比可精確控制到1：100 000的水平。在這些精密調(diào)速系統(tǒng)中，采用了igbt和mct等新型電力電子器件，同時(shí)采用了數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)，軟件方面則采用了專家系統(tǒng)。目前，國(guó)外在一些高精度數(shù)控機(jī)床和加工中心上已基本淘汰直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)近年也有了迅速的發(fā)展，它是由電子控制器供電的無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，具有優(yōu)良的調(diào)速性能，可與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，已經(jīng)推廣到許多工業(yè)領(lǐng)域和家用電器領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)比直流電機(jī)簡(jiǎn)單，甚至比籠型電機(jī)還簡(jiǎn)單，無(wú)換向器和電刷，轉(zhuǎn)子鐵心上無(wú)繞組，有可能在中小功率范圍內(nèi)與籠型電機(jī)爭(zhēng)雄，會(huì)占有一部分市場(chǎng)，這個(gè)動(dòng)向已引起歐美等國(guó)的重視。
將控制和保護(hù)電路直接裝在電機(jī)內(nèi)，使控制電路和電機(jī)融為一體，這已不是鮮為人知的事。80年代初期發(fā)展起來(lái)的片狀微電機(jī)，就是一個(gè)典型的范例。這種電機(jī)沒(méi)有換向器和電刷，在線圈的空隙中放有用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的霍爾元件和檢測(cè)轉(zhuǎn)子速度的頻率發(fā)生器(fg)，省去了電機(jī)附加測(cè)速發(fā)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，并配有控制電樞電流和接受處理信號(hào)的電子電路。圖1給出了這種片狀無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)回路圖，它基本上有兩部分組成，一是以頻率發(fā)生器(fg)得到的速度信號(hào)，即電樞電流產(chǎn)生力矩反饋電路的速度控制回路。二是處理從霍爾元件得到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，適當(dāng)?shù)胤峙潆姌须娏鞯南辔豢刂齐娐�。�?/div>
狀微電機(jī)目前在oa、fa、ha以及fdi)市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛。機(jī)電一體化技術(shù)使微電機(jī)大大擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域和更新?lián)Q代的速度。
3 機(jī)電一體化微電機(jī)的發(fā)展前景
3．1超微電動(dòng)機(jī)
超微電動(dòng)機(jī)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)制造出的機(jī)電一體化傳動(dòng)裝置。
超微電動(dòng)機(jī)屬于微機(jī)電系統(tǒng)(mems)的研究范疇，它的發(fā)展得益于1983年加利福尼亞大學(xué)巴庫(kù)勒依學(xué)院roger’howe研制成功的所謂犧牲層(sacrificial layer‘)技術(shù)。采用該技術(shù)不僅能在硅片上較容易地制造出微型構(gòu)件，而且也能把它們整體直接裝配在基片上構(gòu)成一個(gè)整體。1988年7月，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的研究人員制成了厚度只有1～1．5μm、直徑100／~m的超微電動(dòng)機(jī)，整個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)在一塊集成電路芯片上，用靜電力驅(qū)動(dòng)，制造電機(jī)的材料是磷酸硅。我國(guó)目前已有數(shù)家正在進(jìn)行研究，最早開(kāi)始研究的是東南大學(xué)，但真正轉(zhuǎn)起來(lái)的是3年前清華大學(xué)孫曦慶等報(bào)道的靜電同步馬達(dá)，轉(zhuǎn)子直徑120btm，轉(zhuǎn)速1 200r／min，用芯片上的光電器件在線檢測(cè)。中科院上海冶金所開(kāi)發(fā)的超微靜電電機(jī)，轉(zhuǎn)子直徑1009m，轉(zhuǎn)速在0．001～20r／min之內(nèi)連續(xù)可調(diào)，且采用徑向力驅(qū)動(dòng)，最小驅(qū)動(dòng)電壓為20v，比早期報(bào)道的切向力驅(qū)動(dòng)的靜電電機(jī)具有更大的輸出轉(zhuǎn)矩，這些都充分表明了我國(guó)在超微電動(dòng) |
