现代先进驱动技术及其应用.pdf

收稿日期:2003-12-20作者简介:叶云岳(1952-),男,浙江衢州人,教授,研究方向:新型驱动装置与智能化系统,微特电机、直线电机等。o综 述 o现代先进驱动技术及其应用叶云岳(浙江大学,浙江 杭州 310027)摘 要:全面综述了现代先进驱动技术的类型、特点,国内外的发展情况。详细阐述了现代先进驱动技术在工业设备、信息技术与自动化、交通、军事、航天、医学等领域的具体应用,以及国内外应用现代驱动技术的情况。关键词:驱动技术;直线电机;综述;应用中图分类号:TP276;TM35 文献标识码:A文章编号:1001-4551(2004)01-0001-041 前 言随着现代社会科学技术的日益发展,驱动技术正在朝着现代化的方向发展,形成了现代先进的驱动技术。现代先进的驱动技术主要分为两大类:一类为电磁式;另一类则为非电磁式。其中的部分先进驱动技术是从传统驱动技术中进一步发展而来,而另一部分先进驱动技术则往往是全新的原理或概念,是原始创新性的驱动技术。这些驱动技术给人们展示了一片全新的领域与天地。现代先进驱动技术及其应用将进一步有力地促进人类社会的不断发展和进步。2 现代先进的电磁驱动技术2.1 传统改进型在传统改进型现代驱动技术中,以原有的电磁驱动技术为基础,进行部分改进,获得了新的结构或机理变化型式。(1)高、低速电机技术。现在世界上有一些国家已研制出转速达 2 105r/min 以上的高速电机,这种电机是一种系统技术,包括电机本体结构、材料以及控制系统等。低速电机则可达到10 r/min 以下。(2)不同型式转子电机技术。诸如实心转子、外转子、双转子、盘式、杯式、锥形等。(3)各种新型步进式电机等。2.2 新发展型除了以电磁原理的通用电机技术基础上改进获得的电机技术外,还有更多的是在通用电机技术基础上进一步发展的新型电机技术。如直线电机技术、无刷直流电机技术、开关磁阻电机技术,各种新型永磁电机技术等。2.2.1 直线电机技术直线电机技术是一种将电能直接转换成直线运动机械能,而不需通过中间任何转换装置的新颖电机。它具有系统结构简单、磨损少、噪音低、组合性强、维护方便等优点。旋转电机所具有的品种,直线电机技术几乎都有相对应的品种,可谓门类齐全,品种繁多。其应用范围正在不断扩大,在一些它所能独特发挥作用的地方,取得了非常令人满意的效果。2.2.2 无刷直流电机技术无刷直流电机集有刷直流电机和交流异步电机优点于一体,具有效率高、调速方便、结构简单的特点。在电力电子技术、交流伺服驱动技术及光机电一体化技术的日趋快速发展的今天,无刷直流电机的得到了快速的发展。2.2.3 开关磁阻电机技术开关磁阻电机具有结构简单,性能优越,可靠性高的特点。该电机制造成本低,在宽调速范围内均具有高的效率。在许多需要调速和高效的场合,从小功率到大功率范围,均能提供所需性能要求。随着电子技术的发展和开关磁阻电机的进一步研究,其应用领域在得到更大的拓展。#1#机电工程 2004 年 第 21卷 第 1期 Mechanical&Electrical Engineering Magazine Vol.21 No.1 20042.2.4 各种永磁电机技术我国稀土资源丰富,永磁电机所具有的一些特性及优点,使得永磁电机成为一种专门研究的种类而被业内人士所重视。其应用也在不断扩大,效果明显。2.2.5 磁悬浮驱动技术高速电机的轴承已无法承受高速所带来的机械磨擦,并产生发热、振动、噪音等。目前,采用磁悬浮来支承电机转轴,并将磁浮系统与电机定子绕组系统的磁场合成一体进行控制,组成了一种新型的高速电机。同样,在直线运动速度超过 500 km/h 时,也必须采用磁浮驱动。驱动根据不同材料的组合以及不同驱动方式分,磁悬浮有许多种型式,但总体上归结为两大类,即相吸型与相斥型。在一些需要高速运动的场合,磁悬浮驱动技术将会得到很好的应用。2.2.6 电磁发射驱动技术由于受到推力或推力/质量比的限制,以火药为发射能源进行军用和航天物体发射成本高,技术复杂。而电磁能直接转变为动能,(实际上是直线电机技术的一种),电磁力作功,其速度高,结构相对简单,控制相对方便,易于达到人们期望的要求。国外已在军事上尝试应用该技术发射飞机。虽然目前尚未到产业化程度,但前景诱人。3 其它现代先进驱动技术近年来,除电磁驱动技术以外,其它各种非电磁类(所谓非电磁类,指的是该类装置不按通常的电磁定律来运动)的驱动技术也不断出现,尤以压电材料和磁致伸缩材料制成的驱动装置最为红火,发展较快。此外,如光驱动技术、超导驱动技术、静电驱动技术、金属氢化物驱动技术、形状记忆合金驱动技术,橡胶驱动技术、高分子凝胶驱动技术、微驱动技术等,也在不断发展。3.1 压电驱动技术压电驱动技术以压电陶瓷材料的逆压电效应,通过控制其机械变形产生旋转或直线运动,具有结构简单,低速、大力矩的优点。这种电机有 3 种类型,分别为超声式、蠕动式和惯性式。超声波式是利用逆压电效应的基础上,以超声频域的机械振动为驱动技术在电能的控制下通过机械变换产生运动,这种电机国内外已研究较多,已在不少场合得到了应用。蠕动式与惯性式主要用于直线运动,结构也很简单,目前也在一些场合得到应用。3.2 磁致伸缩驱动技术某些磁性体的外部一旦加上磁场则磁性体的外形尺寸会发生变化,这种由焦耳发现的焦耳效应(Joule effecf)被称作为磁致伸缩现象。利用这种现象制作的驱动器称为磁致伸缩驱动器。虽然早在100多年前该现象已被发现,但由于能产生这种现象的材料其应变量很小,所需磁场强度又很大,且在低温下,因此,一直末能得到应用。20 世纪 70 年代人们研制了常温超磁致伸缩材料,20 世纪 80 年代,又开发了外部弱磁场的超磁致伸缩材料,至 20 世纪90年代终于有了实用性的超磁致伸缩材料,并制成了超磁致伸缩驱动器。超磁致伸缩材料,比如特伏诺合金,能量密度是压电陶瓷材料的 12 倍,可见,使用特伏诺合金制作的驱动器,其体积要比压电材料做的驱动器小得多。目前,在一些精密定位装置上,在一些步进运动场合正在得到尝试性的应用,其前景让人感到很振奋。一些先进国家非常重视该领域的研究,并取得了一些很好的成果。3.3 光驱动技术近些年来,由于光致伸缩,光吸收而产生磁变化材料的问世,光驱动器得以发展。光驱动器主要分为 3种类型,即(1)他力型。如光闸流管;(2)换力型。如辐射计;(3)自力型。如光发动机。他力型和换力型驱动力较大,但反应较慢;而自力型则驱动力较小,但反应较快。光驱动器的特点是结构简单、易小型化和轻量化。3.4 静电驱动技术与分子马达所谓静电驱动技术,就是利用电荷间的库仑力作为驱动力进行驱动的技术。利用电荷间的库仑力作功比利用电磁力的电动机有更长的历史。但是,它们输出力比电动机小得多,因而只用于电气除尘、静电夹、电子照相等。由于结构简单,越小型化性能越高的特点以及 IC 制造技术的发展,静电微驱动器在各种纤细复杂的微环境里有广泛的应用前景,如肠胃血管医疗领域、航天航空摄像等方面。美国康奈尔大学研究人员在活细胞内的能源机制启发下,制造出了一种分子马达。这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础,依靠为细胞内化学反应提供能量的高分子三磷酸腺苷酶(ATP)为能源研究人员把金属镍制成的螺旋桨嫁接到三磷酸腺苷酶分子中轴上,制造了分子马达。当被浸于 ATP 溶液#2#Mechanical&Electrical Engineering Magazine Vol.21 No.1 2004 机电工程 2004 年 第 21卷 第 1期后,转速可达 8 r/s。据介绍,这种马达只有在显微镜下才能观察到。分子马达潜在的应用价值很大。如果在分子上嫁接其他东西,可制造出纳米机器,如可用于探测有害化学物质的纳米传感器等。3.5 形状记忆合金驱动技术形状 记忆合 金(Shape Memory Alloy,简称 为SMA)是一种特殊的合金。一旦使它记忆了任何形状,即使产生变形,但当加热到某一适当温度时,则它就能恢复到变形前的形状。利用形状记忆合金,这种能变形伸缩的特点而制成的驱动器成为形状记忆合金驱动器。利用这种驱动器的技术即为形状记忆合金驱动技术。形状记忆合金有 3 个特点,变形量大;二是变位方向自由度大;三是变位可急剧发生。因此,形状记忆合金驱动技术具有位移较大、功率重量比高、变位迅速、方向自由的特点。特别适用于小负载高速度、高精度的机器人装配作业、显微镜内样品移动装置、反应堆驱动装置、医用内窥镜、人工心脏、探测器、保护器等产品上。3.6 其他各种非电磁类先进驱动技术除以上非电磁类先进驱动技术外,还有其他各种非电磁类先进驱动技术,如超导驱动技术、金属氢化物驱动技术、橡胶驱动技术等。超导驱动主要利用超导材料在临界温度下呈退磁状态,在临界温度以上呈磁性状态的性质来工作的。一般这种驱动器的转子(或次级)采用超导材料,定子(或初级)采用磁性材料(包括永磁材料),目前研究主要有 3 种结构形式,一是盘形转子(或次级);二是液态转子(或次级);三是圆柱形转子(或次级)。超导驱动以其效率高,小温差能工作的优点,引起了人们的重视并得以研究发展。金属氢化物驱动是人们利用储氢合金在吸、放氢气的反应过程中平衡分压随温度可逆变化的性质,通过压力上升或下降来驱动物体。橡胶驱动技术是人们利用压缩空气伸缩橡胶的一种驱动技术,它的最大特点是功率重量比高,在尺寸相同的情况下,它的驱动力比普通的液压、气压大3 9倍。4 现代先进驱动技术的应用4.1 现代先进驱动技术在工业设备中的应用现代先进驱动技术主要在数控加工、微电子机械系统、物流设备、起重设备等方面得到应用。4.1.1 数控加工方面近几年,国际上在数控机床中采用直线电机技术已成为热点。究其原因是,传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动,丝杆驱动本身具有一系列不利因素,如:长度限制、机械间隙、磨擦、扭曲、螺距一周期误差等。而直线电机技术不仅无此缺陷,且结构简单、精度可以是丝杆的 10倍甚至 100 倍,加速度可以是传统机床的 20倍以上。早在1996 年,日本 SODICK 公司就开始在电火花成形机上采用直线电机技术,他们自行研制了专用的直线电机技术及与其相配的 NC 系统;1999 年投放市场时,不仅二轴,还有 X、Y、Z 三轴均采用了直线电机技术。在第 19 届 JIMTOF 上,展出 8 台采用直线电机技术作进给传动的机床,它们是森精机制作所的 HVM600 卧式加工中心,新日本工机的80L 超高速多轴加工中心(multicenter),大阪的超高速卧式加工中心,丰田工机的高速加工机床 Linea#M、松浦机械制作所的 LX-1 超高速小型加工中心、Taylor Mobson 的两轴小型超精密镜面加工机床,AIDENGINEERING 和山田 DOBBY 公司的高速成形机床等。除此之外,世界上还有许多公司生产直线电机技术驱动的机床,如 Ingersoll,Kingburg,EX-cel-l o,Grob system,Precitech,RenaultAutomation,Gilde-meistre,Deckel Maho 和 Forest Line 等。除一般机床、加工中心采用直线电机技术外,其它机床,如磨床、锯床、激光切割机、等离子切割机、坐标测量机等机床设备上,也采用了直线电机技术。我国浙江大学、广东工业大学、沈阳工业大学、清华大学及南京、宁波、杭州、温州等地一些机床厂也已研制了采用直线电机技术驱动的机床样机。直线电机技术在工业设备中的应用还体现在一些锻压设备上,如浙江大学研制的直线电机技术技术驱动的冲压机,它取消了传统冲压机的各种大小皮带轮、齿轮、飞轮、曲轴、联杆等。新的冲压机结构简单、体积小、重量轻、噪声极小、节能、智能化程度高。西安交通大学研制的用弧形直线电机技术驱动的摩擦压力机,其效率和成品率、工效均提高 10%,节约电能、且维修、操作方便。直线电机技术还在一些新的冶金工业设备中得到应用,诸如金属自动浇铸、电磁搅拌、铁磁分离、金属拉伸以及金属加工过程中的输送系统等。4.1.2 微电子机械系统方面当前,我国以及世界其他国家正在积极推进微#3#机电工程 2004 年 第 21卷 第 1期 Mechanical&Electrical Engineering Magazine Vol.21 No.1 2004电子机械系统(MEMS)的研究和开发。它是一门建立在微电子技术和精密工程基础上的新兴技术,将把人们带入以往难以想象的崭新境界,给生物、医学、信息、航空航天、国防和人民生活等许多领域带来重大变化。无论是微电子机械系统的加工、制作和装配所必需的工具、装置,还是应用在各领域的微机器人、微机械手等微电子机械系统本身,实现微小物体的操作是其最重要的任务之一。其灵活性、精确度、多方位地操作微小物体是评价微电子机械系统或微操作装置优劣的重要性能指标。因此,作为动力的微驱动技术是其中最核心的技术之一,也一直是微机械领域研究的焦点。压电驱动技术、磁致伸缩驱动技术、静电驱动技术、形状记忆合金驱动技术等现代先进驱动技术在微电子机械系统方面得到了开发应用。4.1.3 物流设备方面直线电机技术在物料传输和搬运方面具有独特的优势。在垂直传输方面,如直线电机技术电梯、升降机。在平面传输方面,如邮政包件分拣传输线,各种行李分拣传输线,钢材生产传输线,电气、电子、机械加工生产线,食品加工线,制药生产线等各种工业加工线和各种检测线,还有商场、医院等场合的物料传输、搬运以及立体仑库的搬运,汽车库的搬运调度等。4.1.4 起重设备等方面在起重设备等方面,盘型电机技术、直线电机技术等现代先进驱动技术得到了应用。4.2 现代先进驱动技术在信息与自动化方面的应用直线电机技术在信息设备方面的应用主要在计算机设备以及它的输入输出设备方面。在硬盘装置方面,直线伺服电动机首先在 IBM2314 主光驱上使用,后来又在 IBM333 上采用,日本松下公司,在 3.5英寸的磁盘装置上也采用了直线伺服电动机,日本神钢电机公司、富士通公司等也制造了供软驱装置用的直线步进电动机,采用直线电机技术后,有效地缩短了计算机存取时间,提高了工作效率。此外,直线电机技术也在计算机的输入输出设备中得到了应用。如日本神钢电机公司,富士通公司分别将直线步进电动机和直线直流电动机用于打印机,提高了分辨能力、停止精度及加速特性。日本松下公司则将直线伺服电动机用于驱动数字扫描仪,使扫描仪总重减轻,启动推力提高,图象波动减少扫描速度提高近 5 倍。国内外现有高精度的平面绘图仪,几乎均采用了平面直线步进电动机,它实现了绘图机的高速、高精度、高可靠性及耐久性。压电驱动技术在照相机方面,形状记忆合金驱动技术在机器人方面均得到了应用。4.3 现代先进驱动技术在交通与民用方面的应用磁悬浮列车改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方式,采用磁力悬浮车体、直线电机驱动技术,使列车在轨道上浮起滑行,在交通技术发展史上是一个重大的突破,被誉为 21 世纪一种理想的交通工具。直线电机技术在交通方面的应用,除磁浮列车外,还被应用于电磁推进船的驱动。它象喷气式飞机优于螺旋桨飞机一样优于一般螺旋桨推进的船舶,美国将其应用于军事舰艇,日本则于 1992 年 6月完成世界上第一艘载人超导直线电磁推进船/大和一号0,并在日本神户港正式试航成功。此外,在交通应用方面,直线电机还被应用于驱动地铁车、驱动高速公路车等。民用方面,直线电机技术、压电驱动技术、形状记忆合金驱动技术被应用于驱动门、窗和窗帘、床、柜、桌、椅、冼衣机。空调、冰箱压缩机,家用针织机和缝纫机、炒茶机等。4.4 现代先进驱动技术在军事、航天、医学及其它方面的应用 1995 年,美国宣布已完成直线电机驱动的电磁炮。在一些军事设施上,如军用靶场、军用仿真系统、军用战斗武器如导弹的发射等等,也采用了现代先进的直线电机驱动技术。有人曾提出,建立地下机场,采用直线电机发射飞机。美国军方确实正在实施航空母舰上利用直线电机发射飞机的项目。此外,直线电机驱动技术、压电驱动技术等还被用于卫星、空间站等航天领域。用于天文观测系统中驱动摆镜和反观镜等。直线电机驱动人工心脏、驱动的盲人触觉摸拟器、医院设备、电动工具、玩具以及建筑用打桩机等方面。#4#Mechanical&Electrical Engineering Magazine Vol.21 No.1 2004 机电工程 2004 年 第 21卷 第 1期