（机械电子工程专业论文）双转子平动式啮合电机设计与特性分析.pdf

川i i ii i ii i i ii i i iii i ii il 独创性( 或创新性) 声明 ：y 17 6 0 3 8 3 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特另j j d l l 以标注和致谢中所罗列的内容 以外，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 获得北京邮电大学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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：丕丝! ：兰：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的 学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：型! ：盟 日期：望卫上牛 双转子平动式啮合电机设计与特性分析 摘要 平动式啮合电动机是一种通过定转子间磁阻的变化将电能转化为机械能，在 平行四边形结构的约束下使转子绕定子作圆周平动，进而可直接由转子带动内啮 合传动机构，利用啮合传动机构的减速作用输出大扭矩的高集成度电动机。由于 该电机通过磁极直接驱动齿轮啮合机构输出转矩，提高了电机的加速度性能，同 时由于齿轮啮合传动平稳、摩擦损失小，因此具有更高的使用寿命。本文针对当 前已有的几种类型的平动式啮合电机中存在的问题，提出了一种新型的双转子平 动式啮合电机，对其运行机理、设计特点、磁场分布、动态特性进行了系统的理 论分析；给出了控制方法；设计制造了物理样机并进行了样机试验。 本文在仔细分析平动式啮合电机的结构特点和运行原理的基础上将平动式 啮合电机设计内容分成磁极结构、平动约束机构和内啮合齿廓设计三大部分。列 举了三大机构的实用及演化结构，并进行了结构问的性能比较。最终确定了由内、 外双转子的磁极结构、偏心轴平动约束机构和渐开线内啮合齿轮机构构成的新型 平动式啮合电机双转子平动式啮合电机。 建立了新型双转子平动式啮合电机的等效磁路结构模型。根据建立的磁路模 型，探讨了电机的气隙长度、磁极和绕组体积等结构参数对电机性能的影响，给 出了它们之间的关系模型。利用该模型，本文首次提出了双转子平动式啮合电机 优化设计方法，该方法可作为平动式电机优化设计的理论指导。 采用有限元方法建立了双转子平动式啮合电机的三维有限元磁场模型，对电 机磁场分布和磁路特性进行了分析。通过获得的不同转角下的磁化曲线簇和磁场 力特性，建立了磁参数库；并利用获得的磁参数库，建立了双转子平动式啮合电 机的非线性动态分析模型。 为了满足实时控制的需要，在建立的等效磁路模型基础上，采用解析方法， 分析双转子平动式啮合电机的动态转矩特性，建立了输出转矩与输入电压的关系 模型。本文首次提出了平动式啮合电机恒转矩控制方法，采用动力学软件和控制 软件对所推导的恒转矩控制方法进行了仿真分析，结果表明恒转矩控制方法能够 有效的减小转矩脉动和电机的振动。 在理论分析和优化设计获得的参数基础上，研制了双转子平动式啮合电机的 物理样机；设计制作了专用的驱动控制系统，可实现样机转子位置和电流的测量； 并进行了双转子平动式啮合电机的加载实验。样机实验证明新型双转子平动式啮 合电机的输出转矩、功率、效率和运行稳定性都较先前的平动式电机有着较大提 升，为平动式啮合电机的提供了一种实用结构。 关键词：双转子平动式啮合电机等效磁路法优化设计动态特性有限元方法 恒转矩控制 d e s i g na n ds t u d i e so nn o v e ld o u b l er o t o r s t r a n s l a t i o n a lm e s h i n gm o t o r a bs t r a c t t r a n s l a t i o nm e s h i n gm o t o r ( t m m ) i san e wm o t o rw h i c hi n t e g r a t e sr e d u c t i o ng e a r si n t ot h e d r i v ea n dt r a n s l a t e se l e c t r i ce n e r g yi n t om e c h a n i c a le n e r g yt h r o u g ht h er e l u c t a n c ev a r i e t yb e t w e e n t h es t a t o ra n dt h er o t o r t h er o t o ro ft h i sn e w m o t o risc o n s t r a i n e dt om o v ea r o u n dt h es t a t o rb yc i r c l e t r a n s l a t i o nw i t hap a r a l l e l o g r a ml i n k a g e ，a n dd r i v e st h ec y c l o i dm a c h i n et oo u t p u tb i gt o r q u e t h i s t y p eo fm o t o rh a sb e t t e ra c c e l e r a t i o np e r f o r m a n c et h r o u g hm a g n e t i cp o l e st od r i v em e s h i n gg e a r s o u t p u t i n gt o r q u ed i r e c t l y , a n db e c a u s eo fr u n n i n gs t a b i l i t y a n dl e s sf r i c t i o no fm e s h i n gg e a r s ，t h e m o t o rh a sh i g h e re f f i c i e n c ya n dl o n g e rl i f e f o ri m p r o v i n gt h ee x i s t i n gt r a n s l a t i o n a lm e s h i n gm o t o r , an e wt y p eo f d o u b l er o t o rt r a n s l a t i o n a lm e s h i n gm o t o r ( d r t m m ) h a s b e e nd e s i g n e d ，m a n u f a c t u r e d a n de x p e r i m e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n p r o f o u n ds t u d yi si n v o l v e di ns e v e r a la s p e c t s ，i n c l u d i n gb a s i c o p e r a t i o np r i n c i p l e ，d e s i g nf e a t u r e s ，m a g n e t i c f i e l dd i s t r i b u t i o na n d d y n a m i cp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef e a t u r e so fc o n s t r u c t i o na n dp r i n c i p l eo fo p e r a t i o n o ft m ma r e d i s c u s s e di nd e t a i l s ，a n dt m m c a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t i t i o n sw h i c hi n c l u d i n gp o l e ss t r u c t u r e , t r a n s l a t i o n a lc o n s t i a i n tm e c h a n i s ma n di n t e r i o rm e s h i n gg e a rd e s i g n m o r eu s e f u ls t r u c t u r e sd e d u c e d f r o mt h et h r e ep a r t i t i o n sa r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e d f i n a l l y , o n et m l v lc o n s t r u c t i o nc o n s i s t so f d o u b l er d t o r s e c c e n t r i cs h a f t sc o n s t r a i n ts t r u c t u r ea n di n v o l u t e si n t e r i o rm e s h i n gg e a ra r ec o n c l u d e d a n dn a m e dd o u b l er o t o r st r a n s l a t i o n a lm e s h i n gm o t o rr e s p e c t i v e l y t h em a g n e t i ce q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e li sf o u n d e da i m i n ga tt h es p e c i a ls t r u c t u r eo ft h ed o u b l e r o t o r st r a n s l a t i o n a lm o t o r t h ei n f l u e n c e so fg a pl e n g t h ，p o l e sa n dw i n d i n g sv o l u m eo nm o t o r p e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e da n dt h er a t i o n a l m o d e li sd e d u c e da b o u tt h e mb a s e do nm a g n e t i c e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l t h eo p t i m u mm e t h o di sf i r s t l yp r o p o s e di nt h i sp a p e r , a n d t h i sm e t h o dc a n b et h et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rd e s i g no ft m m t h r e ed i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o do fd o u b l er o t o r st r a n s l a t i o n a lm e s h i n gm o t o r i sf o u n d e d ， a n dt h e nm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o na n dm a g n e t i cc i r c u i tc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e dp r i m a r i l ys o t h ef l u xl i n k a g e sa n dm a g n e t i cf o r c ea td i f f e r e n tr o t o ra n g l e sa r ec a l c u l a t e dw h i c ha r ep r o v i d e df o r i i i n o n l i n e a rm a g n e t i z a t i o nd a t a t h en o n l i n e a rd y n a m i ca n a l y s i sm o d e li se s t a b l i s h e db yt h en o n l i n e a r m a g n e t i z a t i o nd a t a f o rr e q u i r e do fr e a l t i m ec o n t r o lo f t h ed t r m m ，t h ed y n a m i ct o r q u ec h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e d b ya n a l y t i c a lm e t h o d ，s ot h er e l a t i o nm o d e lb e t w e e no u t p u tt o r q u ea n di n p u tv o l t a g ei sp r o p o s e d t h e c o n t r o lm e t h o do fc o n s t a n to u t p u tt o r q u ei sp r o p o s e df i r s t l yf o rd t r m m t h es i m u l a t i o na n a l y s i so f d y n a m i ca n dc o n t r o lt e s t i f i e dt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o dc a nd e c r e a s et h et o r q u er i p p l ea n d v i b r a t i o n a b o v et h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n do p t i m u md e s i g n ，t w op r o t o t y p e so fd t r m ma r ed e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d ；m e a n w h i l e ，t h ec o n t r o la n dd r i v e rs y s t e m sw i t ht h ef u n c t i o n so fp o s i t i o nd e t e c t i o na n d c u r r e n tm e a s u r e m e n ta r ed e v e l o p e d t h ep r o t o t y p el o a d i n ge x p e r i m e n t sh a sp r o v e dt h a tt h ed e s i g n e d d r t m mh a sm o r eo u t p u tt o r q u e ，e f f i c i e n c ya n dh i g h e ro p e r a t i o ns t a b i l i t y t h ed e s i g n e dd t r m m c a ng i v eo n et y p i f i c a t i o ns t r u c t u r eo ft r a n s l a t i o nm e s h i n gm o t o r k e yw o r d s ：d o u b l er o t o r st r a n s l a t i o n a lm o t o r ；m a g n e t i ce q u i v a l e n tc i r c u i tm e t h o d ；d y n a m i cs t a t e c h a r a c t e r i s t i c s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；c o n s t a n tt o r q u ec o n t r o l i v 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究意义l 1 2 机器人驱动电机研究现状2 1 2 1 新材料型电机2 1 2 2 啮合式电机8 1 3 平动式啮合电机研究现状1 0 1 3 1 第一代平动式啮合电机1 1 1 3 2 第二代平动式啮合电机1 2 1 4 本文主要研究内容1 4 第二章新型双转子平动式啮合电机结构设计一1 5 2 1 引言1 5 2 2 磁极的结构设计1 5 2 2 1 平动电机磁能转化方式1 5 2 2 2 转矩特性一1 7 2 2 3 磁极设计一1 8 2 3 传动与约束结构设计2 0 2 3 1 平动约束与传动机构设计一2 0 2 3 2 支撑机构设计2 4 2 4 齿廓设计2 6 2 4 1 摆线齿廓2 6 ，2 4 2 改进型摆线齿轮一2 7 2 4 3 渐开线齿廓设计与分析3 2 2 5 小结3 8 第三章双转子平动式啮合电机磁路模型与优化分析一3 9 3 1 引言3 9 3 2 平动电机的磁路模型3 9 3 2 1 双转子平动式啮合电机磁路模型3 9 3 2 2 气隙磁导4 l 3 2 3 铁芯磁导4 4 3 2 4 涡流损耗计算4 5 3 3 磁极结构优化设计与分析4 6 3 3 1 优化问题描述4 6 3 3 2 能量转化分析4 7 3 3 3 约束条件分析4 9 3 3 4 优化算例分析一5l 3 4 小结5 5 第四章双转子平动式啮合电机动态分析与控制研究一5 7 4 1 引言5 7 4 2 双转子平动式啮合电机的有限元分析一5 8 4 2 1 二维磁场模型一5 8 4 2 2 有限元数学模型5 9 4 2 3 三维有限元分析5 9 v 4 3 双转子平动式啮合电机的动态特性分析6 3 4 3 1 电磁力与转矩分析6 3 4 3 2 电流与磁链模型6 6 4 3 3s i m u l i n k 系统模型的建立6 8 4 3 4 控制方式6 9 4 3 5 仿真结果7 0 4 4 恒转矩控制方法与仿真7 4 4 4 1 控制方式对转矩性能的影响7 4 4 4 2 恒转矩控制方法7 5 4 4 3 电感计算7 8 4 4 4 双转子平动式啮合电机的联合仿真8 l 4 4 5 仿真结果8 2 4 5 小结8 6 第五章样机设计与试验8 7 5 1 引言8 7 5 2 物理样机结构设计8 7 5 3 驱动控制系统8 9 5 3 1d s p 控制器一9 0 5 3 2 转子位置检测9 0 5 3 3 电流检测电路9 l 5 3 4 功率驱动电路9 2 5 4 样机试验与结果9 3 5 4 1 测试平台9 3 5 4 2 试验结果9 4 5 4 3 性能比较9 6 5 5 小结9 6 第六章总结与展望9 7 6 1 总结9 7 6 2 展望9 8 参考文献9 9 附录双转子平动式啮合电机样机运行视频1 0 7 攻读博士期间发表的论文1 0 9 致谢1l l v i 第一章绪论北京邮电大学博士学位论文2 0 1 0 1 1 课题研究意义 第一章绪论 机器人最广泛应用的行业是汽车和工程机械行业，几乎占到了所有机器人应用数量的一半 以上。在汽车生产中，工业机器人是在整车及零部件生产的弧焊、点焊、喷涂、搬运、涂胶、 冲压等工艺中大量使用。据预测我国正在进入汽车拥有率上升时期，在未来几年里，汽车工业 仍将每年1 5 左右的速度增长。所以未来几年工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势， 年增幅达到5 0 左右，工业机器人在我国汽车行业的应用将得到快速发展。随着工业机器人 技术的不断发展，同时伴随着传感技术，激光技术，工程网络技术的广泛应用，工业机器人机 器人智能水平的不断提高，机器人应用正从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸，如采矿机 器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。 无论何种类型的机器人，其伺服驱动系统是必不可少的关键部件，而伺服驱动系统中的动 力部件常由各种类型的电机充当，它们是头部、驱体、上下肢和仿真机械手作动部件的关键机 电元件。一台普通的机器人需应用2 6 台性能不同的伺服电机，完成驱动、伺服和位置、速度 传感等功能。研制开发直接驱动、大力矩、小体积、重量轻、精度高、反应灵敏、工作可靠的 各类电机是提高我国机器人的研究开发水平，满足国内机器人高性能电机的基础保障。 由于机器人发展的多元化和智能化，机器人用电机朝高精度、高可靠性、直接驱动、新原 理、新结构、机电一体化、超微化方向发展。因此，机器人用电机需要满足下列基本技术要求： ( 1 ) 转动惯量小、机电时间常数低、定位精度高，以适应机器人定位精度高、快速响应的要 求。 ( 2 ) 体积小、重量轻，因为微特电机通常都装在机器人运动关节部位，直接拖动负载。 ( 3 ) 电机采用盘式、扁平的外形结构，可直接与机器人的关节部位机构组成一个整体。 ( 4 ) 足够的调速范围，在零度附近可控。低速运行平稳、力矩波动小。 ( 5 ) 高的功率体积比和高的功率重量比，在伺服定位、电机堵转时，仍能输出大的力矩。 ( 6 ) 直接驱动，满足机器人高精度、重量轻的需要。 ( 7 ) 电机运行可靠，满足机器人运行在不便维修的场合。 传统的机器人伺服驱动机构多采用交、直流伺服电动机加减速器的机械结构，但减速机构 复杂、体积较大，难以满足上述的体积小、输出力矩大、低转速的动力需求。平动式啮合电机 属于机电一体化产品，它具有较高的集成度，大转矩等特点，提高了系统的安装精度和加速度 性能，将对机器人工业的发展起巨大的促进作用。平动式啮合电机的研究是一个综合性课题， 它是电、机、磁综合问题的研究，所带动的不仅仅是电机技术的发展，还可以通过对于该电机 的研究将一些最新的研究成果快速转化为生产力，如可将新材料，新减速器结构、新的控制方 法等最新的研究成果通过电机的研究加以验证和分析，进而推动整个电机理论研究水平的不断 双转子平动式啮合电机设计与特性分析 北京邮电大学博士学位论文2 0 1 0 提高，这对于我国电机研究及一系列相关领域的研究发展有着深远的意义。 1 2 机器人驱动电机研究现状 在机器人驱动器发展中，驱动装置的形式主要有电磁( 电机) 驱动、液( 气) 压驱动两 种方式，个别采用如记忆合金等其他驱动形式。液压驱动多用在重型机器人当中，而在轻型机 器人、机械臂和灵巧手 1 , 2 1 的研究中，电机驱动( 主要是小而轻的微型电机) 成为主要的驱动 方式，包括旋转电机和直线电机。一方面，电机设计、加工技术以及电子技术等的进步，能够 为机器人提供体积小、输出力大的电机；另一方面，电能的获取( 特别是在空间环境下) 、存 储相对容易，为电机提供了应用基础。 现代驱动型电机技术主要分为两大类：一类为电磁式的，另一类则为非电磁式的。电磁式 电机的代表类型是：直流电机、交流电机、步进电机等依靠电磁能量转换提供机械能的电机类 型；非电磁式的电机属于新发展出来的电机类型，一般与新材料的发展息息相关，如超声波电 机、静电马达、磁致伸缩马达和记忆合金电机等。 1 2 1 新材料型电机 ( 1 ) 超声波电机 超声波电机又名压电电机，是一种利用超声波振动能驱动的新原理电机。它不仅突破了传 统的电磁感应原理，又以其优异的性能特点弥补了传统电机的不足( 传统电机低速难于稳定运 行) ，具有结构简单、效率高、噪声低、低速大力矩及直接驱动负载等优点。 超声波电机最早是前苏联首先提出来的。1 9 6 4 年基辅理工学院的v v l a v r i n e n k o 设计了第 一个压电旋转电机。此后研究超声波电机的机构越来越多，最早将超声波电机产业化的是日本 新生工业的指田年生于1 9 8 0 年提出并成功制造了一种行波型超声波电机【3 ，4 1 ，如图1 1 所示。 图1 1 行泼型超声波电机 图l l 中的振动体由弹性体( 一般为环状金属片) 和环状压电陶瓷粘结而成，金属片用不 锈钢、铝片或磷青铜制成。压电陶瓷盘同基础层夹在两个压电晶片之间。从驱动装置产生的 3 0 k h z , - 一4 0 k h z 的两个同频的超声波电压分别作用于压电陶瓷的两相，使振动体( 由压电陶瓷 和金属弹性体组成的定子) 产生一个同频弯曲共振模态( 驻波) ，对这两个同频超声波电压在 空间上的相位和时间上的相位进行调节，就可将这两个驻波迭加成单一的旋转模态行波，通 第一章绪论 北京邮电大学博士学位论文2 0 1 0 过定子与转子间的摩擦作用即可驱动转子转动。这是第一个满足了实际需要的超声波电机。 很多种类的超声波电机已经实现产业化，在国民经济中发挥着重要作用，尤其是在机器人 驱动装置中。在机器人机械臂中作为执行元件的电磁型电机受其工作原理与结构的限制，难以 达到所要求体积小、响应速度快和定位精度高的标准。超声波电机因其压电陶瓷具有良好的机 电耦合性能，且对温度不敏感，能承担机械臂轨迹运动和定位时的原关节电机振动控制任务， 可使机械臂的定位精度达到lm m - 2m m 以内，达到甚至超过现有刚性机械臂精度水平。超 声波电机在机器人、计算机、机动车、仪器仪表、航空航天等领域有广泛的应用前景，在一些 高科技产品中已选用其作为驱动电机，日本c a n o n 公司已有3 7 种照相机的聚焦镜头应用了超 声波电机，如图1 2 所示为用于照相机电子镜头自动聚焦系统中的超声波电机。 图卜2 相机镜头中安装的超声波电机 接触型超声波电机的弹性体通过摩擦材料与移动体接触，依靠摩擦力耦合驱动移动体运 动，因而存在较多问题：磨损较快，电机工作效率低；定、转子表面接触限制了电机转速的提 高；电机不能连续地长时间处于运动状态。非接触型超声波电机是以空气和液体等为中间介质 接触，也称声悬浮超声波电机。非接触型超声波电机的定子与转子是不接触的，它克服了接触 型超声波电机因接触而引起的上述缺点5 1 。如图1 3 为一种流体媒质的非接触型超声波电机 【8 1 ，在图l 一3 中的定子圆环上的p z t 压电陶瓷上施加交流电压后，压电陶瓷及定子圆环产生振 动行波，弹性波使圆环内的液体沿周向流动，从而驱动转子旋转，完成定、转子间的机电能量 转换。 转子 图1 - 3 流体媒质的非接触型超声波电机 非接触型超声波电机解决了接触型超声波电机使用寿命短、转速低的难题，在微型卫星、 双转子平动式啮合电机设计与特性分析北京邮电大学博士学位论文2 0 1 0 微型机器人等微型机械领域的应用有广阔的前景。应用于太空机器人，可满足其小体积、小质 量、灵活性、耐久性、无电磁干扰以及在变化的环境中高适应性的要求，特别适合太空机器人 驱动需要。基于液体媒质的非接触超声波电机还可用来直接驱动液体，可望在航空航天等特殊 领域大显身手。 在单自由度超声波电机成功研制的基础上，用于微型机器人的有二自由度和三自由度的超 声波电机也相继研究成功。1 9 9 5 年，远山教授将最初设计的多自由度电机进行了改进，设计 出了性能比较稳定的球形多自由度超声电机【9 】。随后，日本钢管公司等就该类电机在实用中的 输出力矩和控制问题进行了深入的研究，提出了用光学传感器测量电机运动速度和采用非接触 负反馈的控制方法来精确控制电机位置的方法，从而使该类电机进入商业化应用阶段，商品化 的电机结构如图1 4 所示【1 0 1 。定子的直径为3 0 m m ，转子的直径为4 0 m m ，电机的工作频率为 4 8 k h z ，在1 8 0 v p p ( v p p 为峰值电压) 的电压作用下，转子的旋转速度达2 5 0r p m ，电机的输出力 矩为4 0 m n m ，最大输出力矩为8 0 m n m 。 ( a ) 多自由度超声波电机( b ) 超声波电机驱动的机器人手臂 图1 - 4 多自由度超声波电机 多自由度超声波电机相关的分析研究也随着开展。2 0 0 8 年竹村等发表了有关该类电机的 控制和在外科手术支援方面应用的文章【1 2 1 。2 0 0 6 年日本丰田公司展示了用多自由度超声波电 机驱动的机器人手指【1 3 l 。在我国，2 0 0 5 年浙江大学的郭吉丰等1 1 钔综述了多自由度球形超声波 电机的研究进展，并开始进行该类电机的研究。2 0 0 6 年，傅平、郭吉丰等 1 5 1 从电机的工作原 理和结构出发，利用坐标变换方法，推导出了球形多自由度超声波电机的驱动数学模型，并通 过仿真分析研究了电机的结构参数对其性能的影响。 2 0 0 7 年，我国的李志荣、赵淳生等【1 6 1 发表了有关定、转子表面接触角对电机工作性能影 响的文章，提出了改善电机工作性能的方法。此外，东南大学的金龙 1 7 , 1 8 1 等也先后对这种电机 的结构和驱动控制技术进行了研究。目前，多自由度圆柱形和盘形超声电机1 1 9 , 2 0 在机器人关节 中的应用已成为超声电机研究的一个重要方向。 ( 2 ) 静电马达 常规尺寸的机械系统常采用电磁马达。然而，电磁马达的质量比重比较大，需要较重的铁 心及线圈，需要三维加工，结构较复杂，不利于小型化，在较小尺寸的应用中会带来一些问题。 静电马达结构简单，采用薄的平面电极产生静电场，静电力与尺寸的平方成反比，随着尺 4 第一章绪论北京邮电大学博士学位论文2 0 1 0 寸的减小，单位体积的表面力增加【2 l ，2 2 1 。这些特点使得静电马达非常适于小型化，在微机电领 域研究中受到广泛地关注。静电马达的研究兴起于8 0 年代，1 9 8 8 年，加利福尼亚大学的研究 员开发出比人发直径还小并能动作的超微静电马达，引起人们开发静电马达的热潮团1 。超微 马达为毫米或亚毫米尺寸，转子直径几十至几百微米，转速从分数转至几百转。超微马达主要 分为旋转型和直线型，旋转型的研究较多。旋转型超微静电马达可分为顶驱型、侧驱型、摆动 型。图l 一5 为1 9 9 4 年美国学者d e n gk 等利用掺杂磷和多晶硅制成的凸极多晶硅表面微晃动马 达【2 4 l ，转子半径为7 5 岬，最小运转电压1 4v ，最大转速可达3 5r r a i n 。日本学者m a t s u z a 等研制了毫米尺寸马达，转子半径3 0 0 1 t m 。这些马达的输出转矩微小( 约为1 0 d 数量级) ，驱 动电压较大，工作不稳定，寿命短。这些因素极大的影响着马达性能，使其无法满足实用化要 求。为改善马达性能，各国学者在马达结构方面做了大量的研究。 图1 - 5 凸极多晶硅表面微晃动马达 清华大学微电子研究所的齐臣杰、孙曦庆等在1 9 9 3 - 2 0 0 0 年对静电微晃动马达做了大量的 研刭雏2 7 1 ，通过光刻、淀积技术先后研制了硅基微晃动马达、凸极轴瓦结构的微晃动马达及台 面结构的硅光电集成微马达，如图1 - 6 ，该马达的最高转速可达6 0 0 r m i n ，可存活几个小时。 转予 予 莲 图卜6 静电微晃动马达 为获得较大的推力，静电马达可制成多层、多元件结构，以获得高的力体积比。日本学 者y a m a m o t oa 等提出多层叠式马达结构。图1 7 为其设计的4 层叠式马达示意图。英国学者 b e e r s c h w i n g e ru 等提出双定子结构的微马达，将转子置于两定子之间以平衡轴向力，有效地 减小了将转子推向定子电极或衬底上的轴向力【2 2 9 1 ，解决转子运行稳定问题。为减小摩擦和 磨损、提高马达寿命，学者们提出悬浮转子的静电马达，日本学者还采用在定子、动子薄膜间 分散的放置直径为几微米的玻璃珠减小摩擦的方法。为减小高驱动电压引起的转矩纹波，日本 学者y a m a m o t o a 等借鉴电磁电机斜槽的思想，提出倾斜电极及v 型电极设计思想，并制作了 5 双转子平动式啮合电机设计与特性分析北京邮电大学博士学位论文2 0 1 0 多个倾斜电极的静电马达。图1 7 是其设计的倾斜电极静电马达结构图。电极倾斜可有效抑制 纹波，使转子移动平滑，改善驱动效率，减小噪声和振动，提高控制精度3 m 3 2 1 。 垂牵 图卜7 倾斜电极静电马达 微马达作为驱动器能满足人们对小型化、多功能以及高可靠性的要求。静电马达在集成电 路制造、医学领域、航天航空、机器人伺服等自动化装置及军事领域等具有广泛的应用前景， 这也是目前各国研究的重点。日本丰田中央研究所利用表面微机械加工技术制成的变电容型静 电马达被用于驱动微机械光学斩波器，通过在电极问施加电压产生的对应拉力，使栅格偏移。 1 9 9 3 年，日本学者h i g u c h it 等将静电直线微马达用于小型充电耦合驱动照相机的自动调焦装置 3 3 1 。美国a z z a my a s s e e na 等学者用直径l m m 、厚2 0 0 9 m 的凸极微马达制成1x 8 旋转静电微马达 光学开关1 3 4 1 。日本东北大学未来科学技术研究中心开发出一种小型悬浮静电马达，并以此为 基础展开超小型陀螺仪的开发研究1 3 5 , 3 6 。 静电马达不仅在微尺寸领域具有独特的优点，在常规尺寸的装置( 如定位平台、m r 扫描 仪及机器人等) 中也有其自身的优势。美国尝试将静电电机用于进入卫星、宇航飞机内检查故 障的带摄像装置的机器及微型无人机【3 1 1 。美国学者y e hr 等用单片掩模板硅表面绝缘晶片研制 了静电直线尺蠖马达，并用于机器人腿部控制 3 8 , 3 9 l 。东京大学精密工程系工程研究所研发的两 四相静电直线薄膜马达用于机器鱼中1 4 0 1 。静电马达的理论研究上也取得了一定的成果1 4 1 。4 4 l ， 但多集中在电场计算数值方法的改进，对马达优化设计方面的较少；相比之下，在静电马达应 用研究上取得成果更为显著。 ( 3 ) 磁致伸缩电机 如图1 8 所示是v r a n i s h 等在9 0 年代初研制的一种旋转式马达1 4 5 1 。马达的核心部件是一个 双向超越离合器和与外环相连的两对超磁致伸缩致动器，双向超越离合器的内圆柱连接输出 轴。当外环受到超磁作用使得伸缩致动器动作时，输出轴能同步转动。当给g m m 棒2 和3 施加激励电流时，两棒沿径向产生伸长运动，从而使g m m 棒l 和4 产生压缩运动，以带动驱 动环产生顺时针方向的转动，反之亦然。驱动环与输出轴之间通过两组滚子l 和2 相连，当驱 动环顺时针转动时，滚子2 松开，滚子l 则沿着驱动环的凸轮面向上滚动并被卡住，从而使输 出轴受到沿凸轮面法线方向的力，该力的切向分力使输出轴受到顺时针方向的力矩作用，最后 输出轴与驱动环以相同的转向旋转输出。同样，当驱动环逆时针转动时，滚子1 松开，滚子2 被卡住，最终使输出轴以逆时针转向旋转输出。当给激励线圈通以高频电流时，整个系统则以 高频的棘齿运动方式使输出轴以较高的旋转运动输出。此马达比步进式马达输出扭矩更大，自 制动性能优越，能实现精密的旋转运动，并能对载荷进行直接驱动。国内学者在此基础上利用 6 第一章绪论 北京邮电大学博士学位论文2 0 1 0 超磁致伸缩材料在激励磁场作用下产生的伸缩力来推动摆线减速机构旋转输出，制成了具有更 大输出力矩的磁致伸缩摆线马达【蚓。 i 辊子l i 2 图卜8 磁致伸缩摆线马达 ( 4 ) 记忆合金电机 形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y ，简称为s m a ) 是一种特殊的合金，它有三个特点： 其一为变形量大；其二为变位方向自由度大，其三变位可急剧发生。一旦使它记忆了任何形状， 即使它变形，当加热到某一适当温度时，它就能恢复到变形前的形状。利用形状记忆合金，由 这种能变形伸缩特点而制成的电机成为形状记忆合金电机。与其他电机相比，s m a a 具有能 量转换效率、功率密度【4 o l 高；集传感、控制、换能、制动于一身；并且位移较大、变位迅速、 方向自由结构简单；控制方便，动作连续柔和，可制成拟人机械手，对环境适应能力强，不受 温度以外的其他因素影响，无振动噪声和污染等一系列优点。特别