現(xiàn)代驅動技術的發(fā)展與應用

現(xiàn)代驅動技術的發(fā)展與應用

1現(xiàn)代驅動技術的分類所謂的現(xiàn)代驅動技術是指不同于傳統(tǒng)的驅動程序技術，即新或更先進的驅動程序技術?，F(xiàn)代驅動技術主要分為兩大類:一類為電磁式的,另一類則為非電磁式的?，F(xiàn)代驅動技術中的一部分是從傳統(tǒng)驅動技術中進一步展開而來,另一部分則往往是全新的原理或概念,是原始創(chuàng)新性的驅動技術,這些驅動技術所展示給人們的是一片全新的領域與天地?，F(xiàn)代驅動技術及其應用,將進一步有力地促進人類社會的不斷發(fā)展和進步。2現(xiàn)代科學技術的主要類型和特點2.1電磁式的分類如上所述,現(xiàn)代驅動技術主要分為兩大類:一類為電磁式的,另一類則為非電磁式的。電磁式的又可以分為傳統(tǒng)改進型與新發(fā)展型。非電磁式的則以新發(fā)展型為主。它們的分類一般按框圖所示。2.2現(xiàn)代電磁強度技術2.2.1傳統(tǒng)改進在這一類的現(xiàn)代驅動技術中,以原有的電磁驅動技術為基礎,進行部分改進,獲得了新的結構或機理變化型式。(1)系統(tǒng)電機ndk高速電機現(xiàn)在世界上有一些國家已研制達到200kr/min以上,這種電機是一種系統(tǒng)技術,它包括電機本體結構、材料、以及控制系統(tǒng)等。低速電機則可達到10r/min以下。(2)不同類型的旋轉電機技術諸如實心轉子、外轉子、雙轉子、盤式、杯式、錐形等。(3)新步進式電機等2.2.2其它新型電機驅動技術除了上述以電磁原理為基礎,在一般通用電機技術基礎上改進獲得的電機驅動技術外,還有更多的是在通用電機技術基礎上進一步發(fā)展的新型電機技術,如無刷直流電機技術、開關磁阻電機技術、各種新型永磁電機技術、直線電機技術、磁浮驅動技術、電磁彈射技術等。(1)無刷直流電機的更快更廣泛,其也是在交流無刷直流電機集有刷直流電機和交流異步電機優(yōu)點于一體,效率高、調速方便、結構簡單,在電力電子技術、交流伺服驅動技術及光機電一體化技術日趨快速發(fā)展的今天,它將進一步促進無刷直流電機的更快更廣泛的發(fā)展。(2)電機的性能要求開關磁阻電機結構簡單,性能優(yōu)越,可靠性高,作為調速驅動呈現(xiàn)了很低的電機制造成本,在寬調速范圍內均具有高的效率,在許多需要調速和高效的場合,從小功率到大功率范圍,均能提供所需性能要求。隨著電子技術的發(fā)展和開關磁阻電機的進一步研究,其應用領域在得到更大的拓展。(3)永磁電機的應用永磁電機本身它所具有的一些特性、優(yōu)點以及我國稀土原料在世界上所占有絕對優(yōu)勢的特點,使得永磁電機成為一種專門研究的種類而被業(yè)內人士所重視。其應用也在不斷擴大,效果明顯。(4)穎電機的應用直線電機技術是一種將電能直接轉換成直線運動機械能而不需通過中間任何轉換裝置的新穎電機,它具有系統(tǒng)結構簡單、磨損少、噪音低、組合性強、維護方便等優(yōu)點。旋轉電機所具有的品種,直線電機技術幾乎都有相對應的品種。也可謂門類齊全,品種繁多。其應用范圍正在不斷擴大。在一些它所能獨特發(fā)揮作用的地方,取得了非常令人滿意的效果。(5)高速電機的磁浮驅動作為高速電機可以把它作為傳統(tǒng)電機的改進型來看,但這種一般在幾十萬轉/分的情況下,高速電機的軸承已無法承受高速所帶來的機械磨擦,并產生發(fā)熱、振動、噪音等。目前,采用磁懸浮來支承電機轉軸,并將磁浮系統(tǒng)與電機定子繞組系統(tǒng)的磁場合成一體進行控制,組成了一種新型的高速電機。同樣,在直線運動時速超過500km時,也必須采用磁浮驅動。磁浮驅動根據不同材料的組合以及不同驅動方式有許多種型式,但總體上歸結為兩大類:相吸型與相斥型。在一些需要高速運動的場合,磁懸浮驅動技術將會得到很好的應用。(6)技術難點及成本高軍用和航天以火藥為發(fā)射能源進行物體發(fā)射,但由于受到比推力或推力/質量比的限制以及成本高,技術復雜。而用電磁能直接轉變?yōu)閯幽?實際上是直線電機技術的一種),電磁力做功,其速度高,結構相對簡單,控制相對方便,易于達到人們期望的要求。國外已在軍用上嘗試發(fā)射飛機,雖然目前尚未到產業(yè)化程度,但前景誘人。2.3不按一般的電磁定律來運動除電磁驅動技術以外,近年來,其它各種非電磁類的驅動技術(所謂非電磁類,指的是該類裝置不按通常的電磁定律來運動)也不斷出現(xiàn),尤以壓電材料和磁致伸縮材料制成的驅動裝置最為紅火,發(fā)展較快。此外,其它如形狀記憶合金驅動技術、光驅動技術、靜電驅動技術、超導驅動技術、金屬氫化物驅動技術、橡膠驅動技術、高分子凝膠驅動技術、微驅動技術等,也在不斷發(fā)展。(1)超聲、振動、慣性電機壓電驅動技術以壓電陶瓷材料的逆壓電效應,通過控制其機械變形產生旋轉或直線運動,具有結構簡單、低速、大力矩的優(yōu)點。這種電機有三種類型,分別為超聲式、蠕動式和慣性式。超聲波式是利用逆壓電效應的基礎上,以超聲頻域的機械振動為驅動技術在電能的控制下通過機械變換產生運動,這種電機國內外已研究較多,已在不少場合得到了應用,至于蠕動式與慣性式主要用于直線運動,結構也很簡單,目前也在一些場合得到應用。(2)超磁致伸縮器的開發(fā)某些磁性體的外部一旦加上磁場,則磁性體的外形尺寸會發(fā)生變化,這種由焦耳發(fā)現(xiàn)的焦耳效應(Jouleeffect)被稱作為磁致伸縮現(xiàn)象,利用這種現(xiàn)象制作的驅動器稱為磁致伸縮驅動器。雖然該現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)早在100多年前,但一直以來由于能產生這種現(xiàn)象的材料其應變量很小,所需磁場強度又很大,且需在低溫下,因此,一直未能得到應用。70年代人們研制了常溫超磁致伸縮材料,80年代又開發(fā)了外部弱磁場的超磁致伸縮材料,90年代終于有了實用性的超磁致伸縮材料并制成了超磁致伸縮驅動器。超磁致伸縮材料比如特伏諾合金,能量密度是壓電陶瓷材料的12倍,可見,使用特伏諾合金制作的驅動器,其體積要比壓電材料做的驅動器小的多。目前,在一些精密定位裝置上,在一些步進運動場合正在得到嘗試性的應用,其前景讓人感到很振奮。一些先進國家非常重視該領域的研究,并取得了一些很好的成果。(3)形狀記憶合金制約形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy,簡稱為SMA)是一種特殊的合金。一旦使它記憶了任何形狀,即使使它變形,當加熱到某一適當溫度時,它就能恢復到變形前的形狀。利用形狀記憶合金,由這種能變形伸縮特點而制成的驅動器成為形狀記憶合金驅動器。利用這種驅動器的技術即為形狀記憶合金驅動技術。形狀記憶合金有三個特點;其一為變形量大;其二為變位方向自由度大;其三變位可急劇發(fā)生。因此形狀記憶合金驅動技術具有位移較大、功率—重量比較高、變位迅速、方向自由的特點。特別適用于小負載高速、高精度的機器人裝配作業(yè)、顯微鏡內樣品移動裝置、反應堆驅動裝置、醫(yī)用內窺鏡、人工心臟、探測器、保護器等。(4)光問題的基本類型過去研究較少,近些年來,由于光致伸縮,光吸收而產生磁變化材料的問世,光驅動器得以發(fā)展,光驅動器主要分為三種類型:即他力型,如光閘流管;換力型,如輻射計;自力型,如光發(fā)動機。他力型和換力型驅動力較大,但反應較慢,而自力型則驅動力較小,但反應較快。光驅動器的特點是結構簡單、易小型化和輕量化。(5)靜電微問題所謂靜電驅動技術,就是利用電荷間的庫侖力作為驅動力進行驅動的技術。利用電荷間的庫侖力作功較之利用電磁力的電動機有更長的歷史。但是它們輸出力比電動機小得多,因而只用于電氣除塵、靜電夾、電子照相等,但由于結構簡單,越小型化性能越高的特點以及IC制造技術的發(fā)展,靜電微驅動器在各種纖細復雜的微環(huán)境里有廣泛的應用前景,如腸胃血管醫(yī)療領域、航天航空攝像等方面。美國康奈爾大學研究人員在活細胞內的能源機制啟發(fā)下,制造出了一種分子馬達。這種微型馬達以三磷酸腺苷酶為基礎,依靠為細胞內化學反應提供能量的高分子三磷酸腺苷酶(ATP)為能源。研究人員把金屬鎳制成的螺旋槳嫁接到三磷酸腺苷酶分子中軸上,制造了分子馬達。當被浸于ATP溶液后,轉速可達8r/min。據介紹,這種馬達只有在顯微鏡下才能觀察到。分子馬達的潛在應用價值很大,如果在分子上嫁接其它東西,可制造出納米機器,如可用于探測有害化學物質的納米傳感器等。(6)金屬氫化物驅動系統(tǒng)除以上幾種非電磁類現(xiàn)代驅動技術外,還有其它各種非電磁類現(xiàn)代驅動技術,如超導驅動技術、金屬氫化物驅動技術、橡膠驅動技術等。超導驅動主要利用超導材料在臨界溫度下呈退磁狀態(tài),在臨界溫度以上呈磁性狀態(tài)的性質來工作的。一般這種驅動器的轉子(或次級)采用超導材料,定子(或初級)采用磁性材料(包括永磁材料),目前研究主要有三種結構形式:一是盤形轉子(或次級)、二是液態(tài)轉子(或次級),三是圓柱形轉子(或次級)。超導驅動以其效率高,小溫差能工作的優(yōu)點,引起了人們的重視并得以研究發(fā)展。金屬氫化物驅動是人們利用儲氫合金在吸、放氫氣的反應過程中平衡分壓隨溫度可逆變化的性質,通過壓力上升或下降來驅動物體。橡膠驅動技術是人們利用壓縮空氣伸縮橡膠的一種驅動技術,它的最大特點是功率重量比高,在尺寸相同的情況下,它的驅動力比普通的液壓、氣壓大3-9倍。3現(xiàn)代科學技術的應用和國內外的發(fā)展3.1在工業(yè)設備中的應用和國內外的發(fā)展現(xiàn)代驅動技術在工業(yè)設備中的應用,主要在數控加工、微電子機械系統(tǒng)、物流設備、起重設備等方面。(1)直線電機技術近幾年,國際上對數控機床采用直線電機技術顯得特別熱,究其原因是:傳統(tǒng)機床的驅動裝置依賴絲桿驅動,絲桿驅動本身具有一系列不利因素,如:長度限制、機械間隙、摩擦、扭曲、螺距一周期誤差等,而直線電機技術不僅無此缺陷,且結構簡單、精度可以是絲桿的10倍甚至100倍,加速度可以是傳統(tǒng)機床的20倍以上。日本SODICK公司早在1996年就開始在電火花成形機上采用直線電機技術,他們自行研制了專用的直線電機技術及與其相配的NC系統(tǒng)。1999年投放市場時,不僅二軸,還有x、y、z三軸均采用了直線電機技術。在19屆JIMTOF機床展上,日本展出8臺采用直線電機技術作進給傳動的機床,它們是森精機制作所的HVM600臥式加工中心,新日本工機的80L超高速多軸加工中心(Multicenter),大阪的超高速臥式加工中心,豐田工機的高速加工機床Linea·M、松浦機械制作所的LX-1超高速小型加工中心、TaylorMobson的兩軸小型超精密鏡面加工機床,AIDENGINEERING和山田DOBBY公司的高速成形機床等。除此之外,世界上還有許多公司生產直線電機技術驅動的機床,如Ingersoll,Kingburg,EX-cell-o,Grobsystem,Precitech,RenaultAutomation,Gildemeistre,DeckelMaho和ForestLine等,除一般機床和加工中心采用直線電機技術外,其它機床如磨床、鋸床、激光切割機、等離子切割機、坐標測量機等機床設備上,也采用了直線電機技術。我國浙江大學、廣東工大、沈陽工大、清華大學及南京、寧波、杭州、溫州等地一些機床廠,也已研制了一些直線電機技術驅動的機床樣機。直線電機技術在工業(yè)設備中的應用還體現(xiàn)在一些鍛壓設備上,如浙江大學研制的直線電機技術驅動的沖壓機,它取消了傳統(tǒng)沖壓機的各種大小皮帶輪、齒輪、飛輪、曲軸、聯(lián)桿等,從而使新的沖壓機結構簡單、體積小、重量輕、噪聲極小、節(jié)能、智能化程度高。還有西安交大研制的用弧形直線電機技術驅動的摩擦壓力機、效率和成品率、工效均提高10%,節(jié)電、且維修、操作方便。直線電機技術還在一些新的冶金工業(yè)設備中得到應用,諸如金屬自動澆鑄、電磁攪拌、鐵磁分離、金屬拉伸以及金屬加工過程中的輸送系統(tǒng)等。(2)微細機械驅動技術當前我國以及世界許多國家正在積極推進微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的研究和開發(fā)。這項建立在微電子技術和精密工程基礎上的新興技術,將把人們帶入以往難以想象的嶄新境界,給生物、醫(yī)學、信息、航空航天、國防和人民生活等許多領域帶來重大變化。無論是微電子機械系統(tǒng)的加工、制作和裝配所必需的工具、裝置,還是應用在各領域的微機器人、微機械手等微電子機械系統(tǒng)本身,對微小物體的操作是其最重要的任務之一。能否靈活、精確、多方位地操作微小物體是評價微電子機械系統(tǒng)或微操作裝置優(yōu)劣的重要性能指標。因此作為動力的微驅動技術是其中最為核心的技術之一,也一直是微機械領域研究的焦點。壓電驅動技術、磁致伸縮驅動技術、靜電驅動技術、形狀記憶合金驅動技術等現(xiàn)代先進驅動技術,在微電子機械系統(tǒng)方面得到了開發(fā)應用。國內在該方面尚處于研究階段,無應用產品。(3)機械和工業(yè)結合的立體傳輸直線電機技術在各種物料傳輸和搬運方面具有獨特的優(yōu)勢。主要體現(xiàn)在結構簡單、運行可靠、成本低、效率與智能化程度高等。目前在國外,垂直傳輸方面如直線電機驅動電梯、升降機。在平面?zhèn)鬏敺矫嫒缰本€電機驅動的郵政包裹分揀傳輸線,各種行李分揀、煙草分揀、圖書分揀傳輸線,鋼材生產傳輸線,電氣、電子、機械加工生產線,食品加工線,制藥生產線等各種工業(yè)加工線和各種檢測線,還有商場、醫(yī)院等場合的物料傳輸、搬運以及立體侖庫的搬運,汽車庫的搬運調度等等。浙江大學直線電機與現(xiàn)代驅動研究室將直線電機驅動技術應用于各種物料傳輸和搬運方面,完成了許多工程項目與新產品。如郵政包裹分揀傳輸線,各種行李分揀、煙草分揀、圖書分揀傳輸線,皮帶輸送機等。(4)重設備等方面在起重設備等方面,盤型電機技術、直線電機技術等現(xiàn)代驅動技術得到了應用。3.2直線步進電機在計算機監(jiān)控系統(tǒng)上的應用在信息設備與自動化方面的應用,首推在計算機設備以及它的輸入輸出設備方面。而直線電機驅動技術則又是首選應用。在硬盤裝置方面,直線伺服電動機首先在IBM2314主光驅上使用,后來又在IBM333上采用。日本松下公司在3.5英寸的磁盤裝置上,也采用了直線伺服電動機,日本神鋼電機公司、富士通公司等也制造了供軟驅裝置用的直線步進電動機,采用直線電機技術后,計算機有效地縮短了存取時間,提高了工作效率。此外,直線電機技術也在計算機的輸入輸出設備中得到了應用。如日本神鋼電機公司,富士通公司分別將直線步進電動機和直線直流電動機用于打印機,取得了分辯能力和停止精度提高,加速特性更好的效果。日本松下公司則將直線伺服電動機用于驅動數字掃描儀,使掃描儀總重減輕,啟動推力提高,圖象波動減少,掃描速度提高近5倍。至于國內外現(xiàn)有高精度的平面繪圖儀,幾乎均采用了平面直線步進電動機,它實現(xiàn)了繪圖機的高速、高精度、高可靠性及耐久性。此外,壓電驅動技術在照相機方面,形狀記憶合金驅動技術在機器人方面也得到了應用。3.3直線電機在交通、交通領域的應用磁懸浮列車改變了傳統(tǒng)軌道車輛靠輪軌摩擦力推進的方式,采用磁力懸浮車體、直線電機驅動技術,使列車在軌道上浮起滑行,在交通技術發(fā)展史上是一個重大的突破,被譽為21世紀一種理想的交通工具。磁浮車與現(xiàn)有常規(guī)車相比,主要優(yōu)點是:速度快(500km/h);安全,無翻車;無噪聲振動;占地小;爬坡強;結構簡單;節(jié)能。國外許