（测试计量技术及仪器专业论文）微小型电磁驱动器若干技术问题的研究.pdf

中文摘要 微驱动器作为自动控制系统中的重要元件正在不断地引起国内外许多学者 的关注。现有的微驱动器很难同时满足微位移、大行程和大驱动力的要求，而电 磁驱动的微驱动器能够较好的解决这一问题。 在许多工业控制领域中，被控对象的运动路径往往是直线形式，电磁驱动器 能”直接”获得直线运动，省去中间的变换环节，给被控对象提供直线运动形式的 推力，以获得单向或双向的有限可控位移，并且具有长行程、低惯量、高精度、 响应快和高速度等特征。 本文研究的课题是微小型电磁驱动器的若干技术问题，其主要内容和创新点 包括： 1 ) 论文系统地介绍了各种微驱动器的分类和特点，以及其在国内外的发展 现状。 2 ) 着重阐述了微小型电磁驱动器的运动原理、总体机械结构设计、驱动控 制系统设计以及性能测试实验：结构设计方面，采用高性能的钕铁硼永 磁环作为运动部件，设计了电磁线圈；驱动控制方面，通过计算机产生 幅值、频率可调的信号，设计了功率放大电路，通过功放电路把信号加 载到微小型电磁驱动器的两端，控制程序采用c 语言编程，实现波形控 制，从而实现微小型电磁驱动器运动部件的往复直线运动。 3 ) 对微小型电磁驱动器的运动过程进行了详细分析。 4 ) 对本文设计的微驱动器，加工了实验样机，进行了初步的控制并取得了 比较满意的控制效果，验证了微小型电磁驱动器设计原理的正确性，以 及在实际微驱动应用中的可行性。本文设计的微小型电磁驱动器将应用 于某项且微小型光学系统的变焦驱动上。 5 ) 根据实验结果对原有设计进行改进。 关键字：微驱动器，电磁式，永磁，往复直线运动 a b s t r a c t a so n ei m p o r t a n tp a r to fa u t o - c o n t r o ls y s t e m , m i c r o a c t u a t o ri sa t t r a c t i n gm o l e a n dm o r ea t t e n t i o nf r o ms c h o l a r si n l a n da n do v e r a s t h ep r e s e n tm i e r o a c t u a t o rc a n h a r d l ys a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fm i c r o d i s p l a e e m e n t , b i gf o r c ea n db i gs t r o k ea tt h e s a l n et i m e h o w e v e r , m i c r o a c t u a t o rd r o v eb ye l e c t r o m a g n e t i cf o r c ec a ns o l v et h i s p r o b l e mi ns o m e e x t e n t l i n e a rm o t i o ni sw i d e l yu s e di ni n d u s t r ya u t o m a t i o n w i t h o u ts p e c i a lm e c h a n i c a l a d j u s t m e n t s e l e c t r o m a g n e t i cm i e r o a c t u a t o rg e tl i n e a rm o t i o nd i r e c t l y w i t ian u m b e r o fb e n e f i t si n c l u d i n gf a s tr e s p o n s ea n dh i g hp r e c i s i o n , i tw i l lh a v ew i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r i cm a g n e t i cd r i v e b a s e do nt h i s ， m i c r o a e t u a t o rd r o v eb ye l e c t r i cm a g n e t i cf o r c ei sc o n t r i v e da n dp r o d u c e d ，a n d m i e r o a e t u a t o rs t a t i cs t a t ea n dc o n t r o le x p e r i m e n te q u i p m e n ti sp r o d u c e d , a n dt h e s m i l es t a t ea n dc o n t r o lp r o p e r t i e so f e l e c t r o m a g n e t i cm i c r o a c t u a t o ra r ea n a l y z e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ed r i v i n ga n dc o n t r o l l i n go fe l e c t r o m a g n e t i cm i e r o a c t u a t o r i si n t r o d u c e d 1 1 l em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i v ep o i n t si n c l u d e ： ( 1 ) p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o fd i f f e r e n tk i n do fm i c r o a e t u a t o ra r e i n t r o d u c e d ( 2 ) 1 1 1 em o v e m e n tp r i n c i p l e ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g n ，t h ec o n t r o l l i n g s y s t e m a n dc h a r a c t e r t e s t i n ge x p e r i m e n t s o fe l e c t r o m a g n e t i c m i c r o a c t u a t o ra r ee x p a t i a t e di ne m p h a s i s i ns t r u c t u r ed e s i g n , h i 曲- p e r f o r m a n c en d - f e - bi sa d o p t e da sm o v i n gp a r ta n dt h em a g n e t i cc o i l i sd e s i g n e d a st oc o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h es i g n a lf r o mc o m p u t e ri s o u t p u tt op o w e ra m p l i f i e dc i r c u i ta n dt h el o a d e dt oe l e c t r o m a g n e t i c m i c r o a c t u a t o r t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e d 、呐t l lc l a n g u a g e ( 3 ) 1 1 l e m o v e m e n tp r o c e d u r eo fe l e c t r o m a g n e t i cm i c r o a e t u a t o ri sa n a l y z e d i nd e t a i l e d ( 4 ) m a d ee l e m e n t a r yc o n t r o lo nt h em i e r o a c t u a t o ra n da c q u i r e d c o m p a r a t i v e l ys a t i s f y i n ge f f e c t ，p r o v e di t sf e a s i b i l i t yi nt h ea p p l i c a t i o n o f m i c r o a e t u a t o r k e y w o r d s ：m i c r o a c t u a t o r , e l e c t r o m a g n e t i c s ，p e r m a n e n t - m a g n e t ，r e c i p r o c a l r e c t i l i n e a rm o t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂空盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：邓形蓓 签字日期：肋d 占年2 月e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞太茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：邓蛾导师签名： 签字日期：如d 石年2 月嘭日 签字日期：0 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微机电系统发展状况 微机电系统( m e m s ) 或微型系统是指可以批量制作的、集微型机构、微型 传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通讯电路和电源 等于一体的微型器件或系统。其主要特点有：体积小( 特征尺寸范围为： 1 1 i m - 1 0 m m ) 、重量轻、耗能低、性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本； 惯性小、谐振频率高、响应时间短；集约高技术成果，附加值高。微机电系统的 目的不仅仅在于缩小尺寸和体积，其目标更在于通过微型化、集成化，来探索新 原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域，形成批量化产业。 微机电系统可以完成大型机电系统所不能完成的任务。微型机械与电子技术 紧密结合，将使种类繁多的微型器件问世，这些微器件采用大批量集成制造，价 格低廉，将广泛地应用于人类生活众多领域。可以预料，在本世纪内，微型机械 将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物医疗、空间、国防等 领域的发展将产生重大影响。微机电加工技术是一个非常重要而又非常活跃的技 术领域，其发展不仅可带动许多相关学科的发展，更是与国家科技发展、经济和 国防建设息息相关0 1 。 微机电系统作为本世纪新兴的重点交叉学科，有着广阔的发展和巨大的产业 化应用前景，但要实现人们所设想的功能和目标，微机电系统需要解决的科学和 技术上的难题还很多。但是，尽管目前微机电系统的发展仅处于初级阶段，它的 快速是必然的，因为微机电系统的理论意义和实践价值都是不可估量的。 1 ，1 1 微机电系统的特点 微机电系统的微型化、多样化和微电子化的特征使其具有以下优点啪： l 、如同集成电路，通过蚀刻或印刷等分批：j n t 方法制造，不需进行装配或调准。 2 、在一块硅基板上实现电子线路及传感器集成系统，有可能把智能化运动系统 做成超小型的微型组件。 3 、由于组合为这样的微型组件，能够构成自律分散运动系统或自组织的机器人。 4 、能够在现有机械，特别是机器人不能使用的场所，即使是狭小的场所或没有 第一章绪论 整修的环境中使用。 5 、由于动作部分的质量小，有可能实现高速动作。 6 、由于整体尺寸小，热膨胀造成的故障少。 7 、由于产生的力及储存的能量小，安全性高。 但另一方面，微机电系统也存在不能无限小；作用力、能量、刚性受限；体 积很小，表面积相对很大，摩擦粘性问题突出；与外界信息通讯困难、表面加工 的精度较差等缺陷。 1 1 2 微机电系统技术的国外发展现状啡忉 微机电系统在国外已经受到政府部门、企业界、高等学校与研究机构的高度 重视。工业发达国家对影响2 1 世纪社会经济发展和国家防务的删s 技术的发 展十分重视，在原来将传感器列为优先发展的关键技术基础上，又制定了继续把 m e m s 作为关键技术发展的政策。 美国m r r 、b e r k e l e y 、s t a n f o r d 、a t & t 和n s f 的1 5 名科学家在上世纪八十 年代末提出“小机器、大机遇：关于新兴领域微动力学的报告”的国家建议 书，声称“由于微动力学( 微系统) 在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技 术领域与其他国家的竞争中走在前面”，建议中央财政预支费用为五年5 0 0 0 万美 元，得到美国领导机构重视，连续大力投资，并把航空航天、信息和m e m s 作 为科技发展的三大重点。美国宇航局投资1 亿美元着手研制“发现号微型卫星”， 美国国家科学基金会把m e m s 作为一个新崛起的研究领域制定了资助微型电子 机械系统的研究的计划，从1 9 9 8 年开始，资助m i t ，加州大学等8 所大学和贝 尔实验室从事这一领域的研究与开发，年资助额从1 0 0 万、2 0 0 万增加到1 9 9 3 年的5 0 0 万美元。1 9 9 4 年发布的美国国防部技术计划报告，把m e m s 列为 关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持m e m s 的研究和军 事应用，现已建成一条m e m s 标准工艺线以促进新型元件装置的研究与开发。 美国工业主要致力于传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有关领域 的研究。很多机构参加了微机电系统的研究，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州 大学伯克利分校、密执安大学、威斯康星大学、劳伦兹得莫尔国家研究等。加州 大学伯克利传感器和执行器中心( b s a c ) 得到国防部和十几家公司资助1 5 0 0 万元后，建立了1 1 1 5 m 2 研究开发m e m s 的超净实验室。 日本通产省1 9 9 1 年开始启动一项为期l o 年、耗资2 5 0 亿日元的微机电系统 大型研究计划，研制两台样机，一台用于医疗、进入人体进行诊断和微型手术， 第一章绪论 另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该计划有筑 波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参 加。 欧洲工业发达国家也相继对微机电系统的研究开发进行了重点投资，德国自 1 9 8 8 年开始微加工十年计划项目，其科技部于1 9 9 0 1 9 9 3 年拨款4 万马克支持 “微系统计划”研究，并把微系统列为本世纪初科技发展的重点，德国首创的 l i g ai 艺，为m e m s 的发展提供了新的技术手段，并已成为三维结构制作的优 选工艺。法国1 9 9 3 年启动的7 0 0 0 万法郎的“微系统与技术”项目。欧共体组成 “多功能微系统研究网络n e x u s ”，联合协调4 6 个研究所的研究。瑞士在其传 统的钟表制造行业和小型精密机械工业的基础上也投入了m e m s 的开发工作， 1 9 9 2 年投资为1 0 0 0 万美元。英国政府也制订了纳米科学计划。在机械、光学、 电子学等领域列出8 个项目进行研究与开发。为了加强欧洲开发m e m s 的力量， 一些欧洲公司已组成m e m s 开发集团。 1 1 3 微机电系统技术的国内发展现状阳h “1 我国m e m s 技术的研究始于2 0 世纪9 0 年代，现在已经逐渐成为企业、高 校和国家重点大力发展的领域。虽然相对于国外起步稍微落后，但由于m e m s 对于世界各国都是一个全新的领域，加之在“八五”、“九五”期间得到科技部、 教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的大力支持，经过十 几年的发展，我国在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样机等方面已有 一定的基础和技术储备，初步形成了几个m e m s 研究力量较为集中的地区。2 0 0 0 年国家科技部成立了m e m s 发展战略研究专家组，并将m e m s 列入国家“十五 八六三”重大专项，投资数亿元予以研究和发展。2 0 0 1 年3 月初由重庆市 政府牵头注册成立了“重庆微光机电科技发展有限公司”，通过资本纽带将重庆 在m e m s 方面的资源优势组织起来。2 0 0 2 年1 月9 日由教育部正式批准的m e m s 教育部重点实验室在东南大学成立，他们开发研制的成果有新型微流通池p h - 一 i s f e t 集成传感器、晶片键合系统m c 伊- 2 0 0 等。 此外，m e m s 技术已开始在我国的社会生活中发挥作用，如微操作机器人 已开始用于生物工程中的细胞分割、显微手术和生物芯片的制造工艺中；微传感 器已用于飞行器的加速度、压力等参数的实时测量；纳米薄膜润滑技术已用于“长 征三号”火箭和计算机硬盘的制造工艺上。但是由于历史原因造成的条块分割、 力量分散，而且产业界对m e m s 的认识尚不明确，m e m s 的研究还主要是国家 第一章绪论 投资，因而投资力度严重不足，尽管已有不少成果，但在质量、性能价格比及商 品化等方面与国外的差距还很大。 1 2 微驱动器的发展 微驱动器，或称微型执行器，是一种重要的执行机构。它的主要功能是实现 力( 包括扭力) 和或位移( 包括线性位移和角位移) 的输出，是微型机电系统的重 要组成部分。微驱动器与微型传感器、信号处理和控制电路等共同构成微型器件、 微型机械或微型系统。这既要求构成微驱动器的材料性能要优越，又要求应用设 计上尽可能合理。这样才能做到不仅仅缩小了尺寸( 特征尺寸范围为ll lm - 1 0 m m ) ，降低了能耗和提高了性能，更重要是通过微型化和集成化，、达到采用新的 工作原理和实现新的功能的目的。微驱动器作为微机电系统的动力源无疑是研究 的热点，一旦微驱动技术获得突破，将有可能在此基础上构造实用化的可动微系 统，从而带动微机电系统整体技术的全面发展“o 。 微驱动器一直伴随着微机电系统的发展而发展。当r i c h a r dpf e y n m a n 在 1 9 5 9 年提出了微型机械的设想后，第一个硅微型压力传感器很快于1 9 6 2 年问世， 紧接着开发出尺寸为5 0 - 5 0 0 um 的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微传动 机构。自从1 9 8 2 年发明了l i g a 加工( 微型铸模电镀工艺) 技术以后，微驱动器得 到了迅速发展。l i g a 加工技术的发展，又反过来促进了准l i g a 加工、超微细 加工、微细电火花j j h t ( e d m ) 、等离子束加工、电子束加工以及键合技术等微细 加工技术水平的进一步提高。我国国家基金委也从1 9 9 0 年开始，先后资助了微 静电机、微泵和超声微马达等的研究。 1 3 微驱动器的驱动原理 1 、电磁驱动 电磁铁是一种常见的执行机构。这种机构利用电磁原理，通过控制线圈中的 电流大小来控制电磁力的大小。通常情况下它具有非线性的控制特性和较大的电 气时间常数，因此多用于只需进行开关控制的场合，如电磁继电器、电磁吸盘等。 近年来，随着控制技术的发展，人们通过优化磁路结构，施加预偏置磁场、以及 控制器校正等手段，发挥电磁铁输出力大可以进行非接触式的运动控制等优点， 将其应用于精密运动控制、主动式电磁轴承、隔振、以及风洞模型悬浮等领域， 取得了不步成果n “。 第一章绪论 由于其不仅具有结构原理简单、可靠性高和价格低廉等优点，而且能够承载 大电流( 2 0 舢和具有关闭状态的阻力很大。 电磁铁虽然是一种非线性的执行机构，但是通过合理的结构设计并采用差动 控制的方式，可使其在工作点附近具有良好的线性；预先施加偏置电流，可提高 系统响应的灵敏程度；通过优化电、磁路和控制系统设计，可使其具有良好的跟 踪特性。所构成的微进给机构不仅输出力大、响应灵敏，而且结构简单，使用中 基本不需维护，在需要大推力、高频响微行程制动器的场合具有良好的应用前景。 而电磁微电机就其动力性能而言，是目前各种微电机中最强的。这表明了电 磁电机在微型化方面具有较大的潜力，同时也表明作为通用型的微小动力元件， 这种微电机有可能率先达到实用化“”。 2 、静电力驱动 静电力是由于电荷之间的引力或斥力所致。利用这种静电力可以设计制造驱 动器。由于静电力与距离的平方呈反比例，因此驱动的行程不可能太大。所以它 比较适用于微驱动系统。静电式微驱动器是应用较广泛的微驱动器，这种驱动器 的动作范围较大，可产生旋转运动，响应速度较高，力较小，驱动电压在5 1 0 0 v 左右。它们具有效率高、精度高、不发热、响应速度较快等优点，但存在着输出 的力小，以及驱动电压高等缺点。 这一类静电式微驱动器有多种形式，其中包括竖向( v e r t i c a l ) 、横晦j ( 1 a t e r a l ) 和转动( r o t a r y ) 等运动形式。通常采用多组平行的平板电容构成的梳状( c o m b 一 1 i k e ) 形式，其目的是为了提高力的输出并降低驱动电压“”。 3 、压电效应和电致伸缩效应 压电效应是固态电介质的力学参数和电学参数之间的一次效应。只可能出现 于没有中心对称的电介质中。现已报道的压电体逾千种。它可以是单晶、多晶( 如 陶瓷) 或非晶( 如聚合物) 。常用的有石英晶体、b a t i 0 3 、p z t 等。而电致伸缩效 应反映的是应变与电场强度平方之间的正比关系。它是一种二次效应，在任何电 介质中均存在。其中压电材料p z t 的电致伸缩系数约在2 0 0 x 1 0 6 - - , 4 0 0 x 1 0 - 6 之间。 压电体在外电场作用下一次效应和二次效应同时出现。一般情况下，一次效应比 二次效应显著，但有时二者可以具有相同数量级“”。 由于压电陶瓷具有机电、声，光、热、弹等多种功能及耦合效应，可以用作 压力、温度、光等多种传感器。压电型驱动器的动作范围相对较小，一般作直线 运动，但在超声马达中可旋转，响应速度较高。 压电驱动器又具有位移控制精度高、响应快、驱动力大、驱动功率低和工作 频率宽等优点，所以，常将压电陶瓷材料用于结构减震、控制振动、结构破坏及 有源消声等。但层状压电驱动方式的缺点是驱动电压较高( 一般高达上百伏特) 、 第一章绪论 位移量小、电绝缘要求高。另外由于迟滞效应明显，通常要辅以升压和迟滞补偿 电路，而且不易控制。 4 、磁致伸缩效应 由于铁磁材料磁化状态的改变而导致的形状的改变，即是磁致伸缩效应。反 之，若对铁磁材料施加应力，则导致其形状和磁化状态的改变，这就是磁致伸缩 效应的逆效应，称为磁弹效应或压磁效应。一般的磁致伸缩材料( f e 、c o 和n i 等) 的应变量在2 0 x l o 屯8 0 x l o - 6 之间，而巨磁致伸缩材料( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v e m a t e r i a l ) 贝q 具有以下的特性：在室温下的应变量大( 15 0 0 x 1 0 4 2 0 0 0 x l o ，是压 电陶瓷的5 8 倍；能量密度高( 1 40 0 0 - - 2 50 0 0j m ) ，是压电陶瓷的1 0 1 4 倍；机 电耦合系数大；响应速度快，可达ps 的量级；输出力大，可达2 2 0 - - 8 8 0n 。 由于磁致伸缩材料在磁场作用下，引起其长度变化而产生位移并做功；而在 交变磁场的作用下，导致其长度反复伸长和缩短，从而产生振动或声波。这种材 料可将电磁能转换成机械能或声能；反之，也可以将机械能转换成电磁能。它是 一种重要的能量转换功能材料。巨磁致伸缩驱动器不仅结构简单、位移大以及输 出力强，而且机械强度高、过载能力强，易于实现微型化并可采用无线控制。它 在声纳的低频( 频率为数十 k 至20 0 0h z ) 大功率( 6 - - 2 5k w ) 水声换能器、微位移 驱动器、消除振动和噪声系统等领域有广泛的应用前景。近年来，薄膜型巨磁致 伸缩微驱动器在微流体控制系统、线性超声微马达以及微型行走机械中的应用均 有重要进展。 磁致伸缩微位移机构是利用铁磁材料在磁场的作用下产生微伸长运动来实 现微位移。磁致伸缩驱动器不仅结构简单、位移大以及输出力强，而且机械强度 高、过载能力强，易于实现微型化并可采用无线控制。但铁磁材料在此磁场的作 用下，除产生磁致伸缩外，还伴随着受热伸长，其应用受到了限制o ”。 5 、电热式 物质在温度发生改变时，均会产生长度和体积的变化，从而导致了热膨胀 效应。电热式微位移机构是利用物体的热膨胀来实现微位移的。这种机构结构简 单，操作方便，但由于传动杆与周围介质之间有热交换，从而影响位移精度，而 且由于一般材料的热膨胀系数很小，因此产生的位移量很小。由于热惯性的存在， 不适合高速位移。这在应用上受到了一定的限制。 6 、形状记忆效应 由于发生马氏体相变和逆马氏体相变所致。形状记忆合金具有力的输出大 ( 约为5 0 0m p a ) 和形变量大( 约为5 5 ) 的优点，它们分别是压电材料的十倍左右。 但其缺点是响应速度比较慢，而且形变呈阶跃性变化，因此限制了其应用。 为了提高响应速度并将其应用于微驱动器，一方面薄板、丝和薄膜状等小体 积材料得到了广泛的应用；另一方面，具有优越性能的新型的形状记忆材料已在 6 第一章绪论 开发之中。 7 、光致伸缩( p h o t o s t r i c t i o n ) 效应 它是在入射光的作用下导致材料产生应变，即直接将光能转变为机械能。一 般认为，其机制是光电效应( p h o t o v o l t a i ce f f e c t ) 和逆压电效应( c o n v e r s e p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ) 的迭加所致。它与热膨胀( t h e r m a ld i l a t a t i o n ) 和热电现象 ( p y r o e l e c t r i c i t y ) 不同，后二者的应变是由于光照引起的温度上升所致。利用光致 伸缩效应，可以设计制作新一代无线遥控器件，这种器件具有无电磁噪声污染的 优点。实际应用中要求光致伸缩材料应具备较高的光电效应和较快的响应速度。 现己发现，掺杂w 0 3 的( p b ，l a ) ( z r ，t i ) 0 3 ( p l z t ) 陶瓷，在近紫外光线的均匀光 照下，表现出较大的光致伸缩效应“”。 1 4 本论文主要内容和工作 本论文针对以上的内容和任务，进行了以下工作： 1 ) 分析研究微驱动系统的发展状况及当今国内外研究的热点问题，对各种 微驱动技术的特点及在微位移技术中的应用现状进行探讨。 2 ) 简要介绍了电磁驱动的相关理论，对本文的核心内容，即微小型电磁驱 动器的设计和运动原理进行研究。其中包括系统的总体机械结构设计， 以及加工的关键技术等。 3 ) 研究分析了微小型电磁驱动器的驱动方案，对驱动系统进行设计。根据 系统驱动的具体要求，设计了实现微小型电磁驱动器的具体电路。 4 ) 对本文设计的微驱动器，加工了实验样机，进行了初步的控制并取得了 比较满意的控制效果，验证了微电磁驱动器设计原理的正确性，以及在 实际微驱动应用中的可行性。 5 ) 对全文进行总结，并提出以后可以改进的方案。 第二章微小型电磁驱动器运动原理及结构设计 第二章微小型电磁驱动器运动原理及结构设计 2 1 微小型电磁驱动器运动原理 电磁微驱动是利用通电导体在磁场中受力而获得驱动力。具有结构简单，驱 动力大，使用寿命长，转换效率高，运动方向可逆并且易于控制等显著特点。实 践证明，虽然电磁力与尺寸是三次方的关系，但当微机械的体积在毫米量级时， 还有比较好的作用，尺寸效应并不十分明显。在微驱动器体积不是非常小时将更 具有使用价值“”。 2 1 1 电磁驱动原理1 捌 在电流( 或运动着的电荷) 的周围空间存在着磁场，电流之间、电流与磁铁之 间、磁铁与磁铁之间是通过磁场发生相互作用的。若电流恒定不变，则磁场也不 变，恒定不变的磁场叫恒定磁场或静磁场。除电流外，永久磁铁也产生磁场，因 为永久磁场内部存在分子电流。 磁场的一个重要特性是对引入磁场中的运动电荷产生作用力。设有一电荷q 在磁场中以速度v 运动，它所受的磁场作用力为： f = q ( v x b 、 ( 2 - 1 ) 式中，b 是磁感应强度，是表征磁场特性的基本物理量，上式可作为磁感应 强度的定义公式。在磁场中的不同位置，b 的大小和方向不一定相同，因而磁感 应强度是一个矢量函数，单位是t 。 导体内的电流是电荷有规则运动形成的，因此磁场对载流导体产生作用力。 设在d t 时间内通过导体的电荷为d q ，移过的距离为d l ，则单元载流导体d 1 所 受的力为： d f = d q ( v x b 、 由于d q = i d t , v = 石d 所以d f = l ( d l 彤 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 第二章微小型电磁驱动器运动原理及结构设计 长度为1 ，通以电流i 的导体所受到的磁场力为： f = i p b ( 2 4 ) 式中，b 为d 1 所在处的磁感应强度，d l 的取向取决于电流的流向。 如图2 - 1 ，要确定p 点电流在q 点产生的磁感应强度d b ，设0 为坐标原点，p 为源点，q 为场点。x7 为源点的位置矢径，x 为场点的位置矢径，r 为源点到场点 的距离。则在真空条件下，q 处的磁感应强度d b 可用毕奥萨伐尔定律计算： d b ：丝一i d l x ( 2 5 ) 4 zr p 。为真空磁导率，胁= 4 z x l 0 4 n a - 2 。p 毕奥萨伐尔定律是电磁场理论的 基本定律，原则上使用该定律可以计算由任 意分布的稳定电流产生的磁场。 一个电流在某点产生的磁场不因另一 电流再次激起了磁场而受影响。磁场和电场 o 口 图2 - 1 源点与场点 一样，叠加原理成立。如果有n 个电流，设第i 个电流在q 点产生的磁感应强度 为b i ，则n 个电流在q 点产生的磁感应强度b 等于每个电流单独存在时在q 点 产生的磁感应强度的矢量和，即 b - - e b ( 2 - 6 ) 利用叠加原理和毕奥萨伐尔定律，已知电流分布可以计算空间任何一点 的b 或空间的函数。其表达式是 b = 扣= 卷学 浯z ， 这是个矢量积分。当不同位置的i d l 产生的d b 方向不同时，可以通过将d b 进行分解，使矢量积分化成为对分量的积分，积分应遍及产生磁场的所有电流元。 第二章微小型电磁驱动器运动原理及结构设计 2 1 2 运动原理简述 本研究基于电磁驱动这一原理设计出的微小型电磁驱动器是以永磁环 作为运动部件的结构形式，由绝磁铜套简、永久磁体、电磁线圈构成一横穿 绝磁套筒的磁场。当电磁线圈中通以激励电流时，永磁体所产生的轴向磁场 与线圈中电流所激励的磁场发生相互作用，电能转换为机械能，从而使电磁 线圈与永磁环之间产生相对运动。由于电磁线圈位置固定，所以永磁环在套 筒内运动。当输入的控制脉冲正负电平翻转时，永磁环受到的作用力方向也 随之发生相应的改变，而使永磁环产生反向自主运动，并由此产生往复运动。 由于采用电磁力直接驱动，结构简单，控制方便灵活，改变激励脉冲的 时序和幅值，能改变用永磁环运动的速度和方向，并且具有输出力大的显著 特点。 2 2 微小型电磁驱动器设计要求 微小型电磁驱动器设计除要求运动连续平稳、噪声小、速度可调、产生热量 小及效率高以外，对驱动器本身的外形尺寸及其它一些参数要求如下： 1 行程范围：7 5 m m 2 运动方式：往复式直线运动 3 速度要求：每秒钟往返2 3 次 4 电磁驱动器的外径1 2 r a m 由于该微小型电磁驱动器的实际应用要求，设计其外形尺寸，要求电磁线圈 的内径5 m ，总体结构外径1 2 m m ，宽度、 = 1 24 8 5 0一0 1 2 0 13 | 一0 6 0 0 6 5 = 7 51 1 53 1 2 表2 - 2钕铁硼的性能参数 钕铁硼永磁材料的不足之处是热稳定性差，居里温度较低，一般为3 1 0 - - 4 1 0 左右；温度系数较高，b r 的温度系数偏高( n = o 1 2 w ) ，矫顽力的温度系数 亦偏高，因而在高温下使用时磁损失较大。而实际上，本课题设计的微小型电磁 驱动器工作在低于1 5 0 的环境下，避免了这种不足。另外，由于其中含有大量 的铁和钕，容易锈蚀也是它的一大弱点，所以要对其表面进行涂层处理。实验证 明选用这种材料是符合设计要求的。 1 4 第二章微小型电磁驱动器运动原理及结构设计 2 3 4 永磁体的磁极面积、长度和气隙之间的联系 永磁体的磁化强度厨是一个体积量，表示单位体积内的磁矩之和，即 一y 面 m = 兰d v 然而，磁通密度b 确是一个面积量。 b ：! ：j 韦伯米2 = 特翌拉( t e s l a ) s i 麦克斯韦厘米2 = 高斯( g ) l 式中中磁通量，韦伯w b 或麦克斯韦m x ， 卜磁通量中所穿过的正截面积。 b 和m 之间有关系式 蘑= ( 髓+ 甸肌( m k s a 单位制) 豆= 4 加+ a 化g s 单位s q ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 随着永磁材料矫顽力的提高，回复磁导率ur 相应下降，以至与空气的磁导 率1 o o 差不多。这样，永磁体本身的磁阻( 内阻) 就不可忽略了。所以，随着 矫顽力的提高，永磁体在磁化方向的长度就不能太长。若永磁体是圆柱形，轴向 磁化，轴向长度l m ，直径d ，在设计磁路时，如何选取合适的长径比( l m d ) 是一个重要问题。以下给出合宜的选择范围。 1 ) 对于r l c s 小于o 5 b r 的所谓低矫顽力永磁体，d y d 必须大于】，对于 h c b 大于0 5 b r 所谓高矫顽力永磁体，l m d 可以小于1 ； 2 ) 在保证达到气隙磁通密度b g 值得条件下，使l m d 尽可能小。由于稳定 性与l m d 越大，稳定性越好。故l m d 的取值应照顾到永磁体在各种 特殊环境下的稳定性。 设一个圆柱形永磁体，沿轴向方向均匀磁化，轴向长度足够长，以至退磁场 可以略去。这样可以认为磁荷均匀地分布在上下两个极面上，磁荷的面密度为 4 韧。由磁荷积分法，可得 砟= 扣赤， ( 2 1 3 ) 第二章微小型电磁驱动器运动原理及结构设计 这就是一个圆柱形永磁体极面上方、中心对称轴上某点p 的磁密计算公式。 当以斗o ，得彤的极限值为毋2 ，这就是通常所说的永磁体表面磁场岛的极 限值为鼠2 的理论证明。 在式( 2 1 3 ) 中，e 永磁体的剩磁( t e s l a 或o ) ； _ 气隙( m 或锄) ； 震永磁体半径( m 或e r a ) 工。、置必须采用相同的单位，或者都用m ，或者都用c m 。 1 可把圆环看作是直径d = 妄( d 井一靠) 和高度l m 的圆柱绕z 轴旋转而成的， 故由式( 2 1 3 ) 得： 驴争赤，= 争 ( 2 1 4 ) 从理论力学可知，一体系在某一方向的力或力矩等于在该方向的能量梯度， 可以表达为 f ：丝r ：翌( 2 1 5 ) j 碗。 在式( 2 1 5 ) 中，体系的能量； 吼在i 方向的坐标； ，叫方向的力； r 作用在口方向的力矩； 扩旋转角。 这是计算各种力和力矩的基本方法，自然也是计算磁力和力矩的基本方法。 永磁吸引力计算的最简单模型为，一块永磁体吸引一块铁，间隙上，永磁体 的极面积以，气隙磁通密度最。 此，气隙能量有简单的表达式为： 矽：盥 2 o 或矽：邋 当k 很小时，以在间隙中各点是均匀的。因 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 第= 章微小型电磁驱动器运动原理及结构设计 由式( 2 1 6 ) 得吸引力 f ：_ b g - 2 a s ( 2 1 8 ) z p o 式中，f 吸引力( n ) ； & 气隙磁密( w b 珈2 ) 5 4 极面积( m 2 ) ： p o 真空绝对磁导率( 4 x 1 0 。h m ) 由式( 2 1 7 ) 得吸引力 f ；竺丝 8 z ( 2 1 9 ) 式中，f 吸引力( d y l l ) ； 最气隙磁密( g ) 彳g 极面积( c m 2 ) 如果气隙较大，b 不均匀，能量表达式应为 形= 三睁 c z 式中，d 矿气隙体积元，积分在全部气隙中进行。如果气隙中有以1 的 介质，则式( 2 2 0 ) 中的胁应该变为p o p ，式( 2 2 0 ) 一般需用电子计算机求解， 在算出w 后，再由婴求出力e 。 也可以不先求w ，而直接按下式求磁吸引力p 季= 妒蠢 s 式中，户0 乍用于磁性体上的磁吸引力； 雪包围该物体的任意表面； 户作用于该表面的应力； 户的表达式为： 户= 去( 最峋廖去购p oz o 1 7 ( 2 - 2 1 ) ( 2 之2 ) 第二章微小型电磁驱动器运动原理及结构设计 式中，元沿积分表面s 法线方向的单位矢量； b 磁感应强度矢量。 从库仑定律可知，排斥力在数值上与吸引力相等 p ：笠一q q m ( 2 2 3 ) 4 石r 式中，如果磁极强度q 。l 和q 啦都是正的，或者都是负的，则力为正值，这 是排斥力。如果q 。l 和q l n 2 是一正负，则力为负值，这是吸引力。而只要q 。i 和q i l l 2 的数值保持不变，则在同样的距离r 下，磁的排斥力在数值上等于吸引力。 这样，关于排斥力的计算可以转化为吸引力的计算，其前提是永磁体磁极强度不 变。 在本课题中，由于采用的是高矫顽力的钕铁硼永磁体，这个前提能够满足。 2 3 5 永磁环的设计 微小型电磁驱动器采用永磁环作为运动部件，当线圈通电 后，由于磁场力的作用，永磁环在绝磁的铜套筒中往复运动，为 了减小摩擦阻力，要求永磁环的体积不能过大。 设计的钕铁硼永磁圆环的永磁特性和几何尺寸为： 外径d 外= 8 m m ，内径d = 5 m m ，厚度l m = 2 m m 。与套筒配 合为间隙配合0 8 h 7 9 6 因此d m a x = 7 9 9 5 m m ，d r a i n = 7 9 8 6 m m b r = 1 2 5 k g s = i 2 5 t ，p - 7 5 c m 2 则质量i n = 1 8 9 。 如果取它与铜套筒的最大静摩擦系数i ls = 0 2 ， 磁环受到的最大静摩擦力和滑动摩擦力分别为： f s ，m a x = 1 ts n = 1 , 1s m g = 3 5 m n ， n 【= i tk n = 1 tk m g = 1 7 6 4 m n 1 8 图2 - 3 永磁环 滑动摩擦系数l lk = 0 1 ，则永 第二章微小型电磁驱动器运动原理及结构设计 2 4 电磁线圈部分的设计 微小型电磁驱动器要实现其正常工作，须有足够的电磁吸力，而电磁力的产 生必须要有设计合理的电磁线圈。因此，需要对电磁线圈组件的结构及参数进行 设计。 2 4 1 电磁线圈结构参数的选择3 1 1 首先，选择电磁线圈的型式。电磁铁的磁系统种类繁多，但按照它产生吸力 的原理来分，大体分为三大类型，即拍合式、吸入式和旋转式。拍合式磁系统主， 要被广泛应用在各种小型和灵敏继电器中；吸入式电磁铁可以在较大气隙下产生 较大的吸力，因此特别适用于较大行程和较大吸力的场合，尤其在各种牵引电磁 铁中用得较多，旋转式电磁铁的经济性较差，即在作用同样的机械功时，它的体 积和重量要比拍合式和吸入式电磁铁大，线圈需要的功率也较大。 通过对以上几种电磁系统的比较以及本课题的具体要求，本课题采用了吸入 式电磁结构，其特点是：被吸动的部分是个圆环形的永磁体，它位于绝磁套筒 之中。线圈通电后，永磁环被吸到线圈端面，产生直线运动。 根据本课题的特点，要求电磁驱动器的体积越小越好，空间的限制使电磁线 圈的设计不能沿用常规的设计步骤，所以采取了如下的计算步骤，首先在满足空 间限制的条件下，选定电磁线圈的尺寸参数，并选定电磁线圈导线的电流，然后 计算此电磁线圈在此条件下所能产生的电磁吸力，通过实验比较不同电流时的电 磁吸力大小，选取其中吸力最大的情况，若不能满足要求，则可在满足空间限制 的条件下调整电磁线圈的参数，直到获得满意结果。经过实验，其电磁吸力能够 满足要求。线圈的参数如表所示： l 外径内径宽度电阻线径匝数 l 单位衄 m m珊mqm m i 数值 93 6 5 30 1 85 0 0 表2 - 3 电磁线圈的参数 1 9 第二章微小型电磁驱动器运动原理及结构设计 2 4 2 电磁线圈分类 电磁线圈是一切电磁电器的重要组件，通过它产生磁势和磁通使电器工作， 是将电能转化为磁能的机构。电磁驱动器的工作可靠与否，在相当大的程度上是 由电磁线圈的结构型式和结构参数所决定。 电磁线圈一般由骨架、导电体( 漆包线或铜薄) 、绝缘材料和其他一些附件 ( 如紧固件等) 组成。电磁线圈构成磁性器件的电路部分。 电磁线圈本身由于导线的电阻损耗将会发热，而线圈发热对电器的性能和尺 寸有很大的影响，所以设计电磁线圈一般希望满足下列要求： ( 1 ) 提供满足工作要求的磁势； ( 2 ) 稳定温升小于绝缘材料的极限允许温升； ( 3 ) 在满足上述两个条件的前提下尺寸和重量愈小愈好。 根据电磁线圈在电路中的联接方式可以将线圈分为两大类：电压线圈和电流 线圈。 电压线圈直接并联在控制电源上，因而通过线圈的电流取决与线圈电阻，它 的特点是匝数多，电阻大，电流小，匝间电压高。因此，它一般由具有良好绝缘 的电磁线漆包线、高强度漆包线或玻璃丝包线绕制。通常，