现代驱动技术的发展与应用

现代驱动技术的发展与应用

1现代驱动技术的分类所谓的现代驱动技术是指不同于传统的驱动程序技术，即新或更先进的驱动程序技术。现代驱动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。现代驱动技术中的一部分是从传统驱动技术中进一步展开而来,另一部分则往往是全新的原理或概念,是原始创新性的驱动技术,这些驱动技术所展示给人们的是一片全新的领域与天地。现代驱动技术及其应用,将进一步有力地促进人类社会的不断发展和进步。2现代科学技术的主要类型和特点2.1电磁式的分类如上所述,现代驱动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。电磁式的又可以分为传统改进型与新发展型。非电磁式的则以新发展型为主。它们的分类一般按框图所示。2.2现代电磁强度技术2.2.1传统改进在这一类的现代驱动技术中,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)系统电机ndk高速电机现在世界上有一些国家已研制达到200kr/min以上,这种电机是一种系统技术,它包括电机本体结构、材料、以及控制系统等。低速电机则可达到10r/min以下。(2)不同类型的旋转电机技术诸如实心转子、外转子、双转子、盘式、杯式、锥形等。(3)新步进式电机等2.2.2其它新型电机驱动技术除了上述以电磁原理为基础,在一般通用电机技术基础上改进获得的电机驱动技术外,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、直线电机技术、磁浮驱动技术、电磁弹射技术等。(1)无刷直流电机的更快更广泛,其也是在交流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,效率高、调速方便、结构简单,在电力电子技术、交流伺服驱动技术及光机电一体化技术日趋快速发展的今天,它将进一步促进无刷直流电机的更快更广泛的发展。(2)电机的性能要求开关磁阻电机结构简单,性能优越,可靠性高,作为调速驱动呈现了很低的电机制造成本,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。(3)永磁电机的应用永磁电机本身它所具有的一些特性、优点以及我国稀土原料在世界上所占有绝对优势的特点,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。(4)颖电机的应用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。也可谓门类齐全,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。(5)高速电机的磁浮驱动作为高速电机可以把它作为传统电机的改进型来看,但这种一般在几十万转/分的情况下,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,在直线运动时速超过500km时,也必须采用磁浮驱动。磁浮驱动根据不同材料的组合以及不同驱动方式有许多种型式,但总体上归结为两大类: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。(6)技术难点及成本高军用和航天以火药为发射能源进行物体发射,但由于受到比推力或推力/质量比的限制以及成本高,技术复杂。而用电磁能直接转变为动能(实际上是直线电机技术的一种),电磁力做功,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。国外已在军用上尝试发射飞机,虽然目前尚未到产业化程度,但前景诱人。2.3不按一般的电磁定律来运动除电磁驱动技术以外,近年来,其它各种非电磁类的驱动技术(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)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,其它如形状记忆合金驱动技术、光驱动技术、静电驱动技术、超导驱动技术、金属氢化物驱动技术、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。(1)超声、振动、惯性电机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。这种电机有三种类型,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,至于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。(2)超磁致伸缩器的开发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(Jouleeffect)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。虽然该现象发现早在100多年前,但一直以来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,且需在低温下,因此,一直未能得到应用。70年代人们研制了常温超磁致伸缩材料,80年代又开发了外部弱磁场的超磁致伸缩材料,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的多。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)形状记忆合金制约形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,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。因此形状记忆合金驱动技术具有位移较大、功率—重量比较高、变位迅速、方向自由的特点。特别适用于小负载高速、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。(4)光问题的基本类型过去研究较少,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,光驱动器主要分为三种类型:即他力型,如光闸流管;换力型,如辐射计;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。(5)静电微问题所谓静电驱动技术,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较之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,但由于结构简单,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溶液后,转速可达8r/min。据介绍,这种马达只有在显微镜下才能观察到。分子马达的潜在应用价值很大,如果在分子上嫁接其它东西,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。(6)金属氢化物驱动系统除以上几种非电磁类现代驱动技术外,还有其它各种非电磁类现代驱动技术,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),目前研究主要有三种结构形式: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。3现代科学技术的应用和国内外的发展3.1在工业设备中的应用和国内外的发展现代驱动技术在工业设备中的应用,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。(1)直线电机技术近几年,国际上对数控机床采用直线电机技术显得特别热,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、摩擦、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。日本SODICK公司早在1996年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19届JIMTOF机床展上,日本展出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、TaylorMobson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-cell-o,Grobsystem,Precitech,RenaultAutomation,Gildemeistre,DeckelMaho和ForestLine等,除一般机床和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、广东工大、沈阳工大、清华大学及南京、宁波、杭州、温州等地一些机床厂,也已研制了一些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,从而使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。还有西安交大研制的用弧形直线电机技术驱动的摩擦压力机、效率和成品率、工效均提高10%,节电、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。(2)微细机械驱动技术当前我国以及世界许多国家正在积极推进微电子机械系统(MEMS)的研究和开发。这项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,对微小物体的操作是其最重要的任务之一。能否灵活、精确、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为核心的技术之一,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。国内在该方面尚处于研究阶段,无应用产品。(3)机械和工业结合的立体传输直线电机技术在各种物料传输和搬运方面具有独特的优势。主要体现在结构简单、运行可靠、成本低、效率与智能化程度高等。目前在国外,垂直传输方面如直线电机驱动电梯、升降机。在平面传输方面如直线电机驱动的邮政包裹分拣传输线,各种行李分拣、烟草分拣、图书分拣传输线,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等。浙江大学直线电机与现代驱动研究室将直线电机驱动技术应用于各种物料传输和搬运方面,完成了许多工程项目与新产品。如邮政包裹分拣传输线,各种行李分拣、烟草分拣、图书分拣传输线,皮带输送机等。(4)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驱动技术得到了应用。3.2直线步进电机在计算机监控系统上的应用在信息设备与自动化方面的应用,首推在计算机设备以及它的输入输出设备方面。而直线电机驱动技术则又是首选应用。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,计算机有效地缩短了存取时间,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,取得了分辩能力和停止精度提高,加速特性更好的效果。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。至于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。此外,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也得到了应用。3.3直线电机在交通、交通领域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。磁浮车与现有常规车相比,主要优点是:速度快(500km/h);安全,无翻车;无噪声振动;占地小;爬坡强;结构简单;节能。国外许