机电一体化微电机的开发现状和发展前景

    唐苏亚  (江苏涟水县经济委员会223400)

    【摘  要】机电一体化微电机是一种由多项技术复合形成的高科技产品，涉及到现代众多的科学领域。文中介绍机电一体化微电机的开发现状和发展前景，并举例阐述机电一体化微电机在工业领域的应用。

1  引  言

    随着电子技术，特别是微电子技术、计算机技术、新材料技术、自动控制技术以及生物工程技术等在微特电机上的不断应用，现代微电机已发展到以电子计算机等微电子软、硬件产品为中枢神经、传感器为耳目、电动机为手足、机械本体为驱干、电力电子器件等为生命源的新一代伺服驱动系统，这就是常说的机电一体化[1]微电机。

    本文介绍机电一体化微电机的开发现状和发展前景，并举例阐述机电一体化微电机在工业领域的应用。

2机电一体化微电机的开发现状[2-3]

  作为机电一体化系统的重要组成部分之一的驱动和执行部分，微电机是最常用的驱动元件和执行元件。70年代以后，随着大规模和超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展以及电力电子器件在微电机上的广泛应用，电机与机械部件在空间上的结合愈来愈紧密，使得电机与电源、驱动系统、控制系统组合在一起，大大改善了系统的整体性能和效率，传统的感应电动机扩展了其应用领域，交流调速系统正在很多方面取代直流调速系统。

    70年代末，国外研制成功永磁交流伺服电动机，以其高效、体积小、重量轻以及运行性能好的特点在数控机床和工业机器人中得到迅速推广和应用。美国国家电力电子应用中心(peac)b．k．bose教授把这种采用永磁材料制造的无刷电动机称之为****马达(advanced motor)，其系统的调速比可精确控制到1：100 000的水平。在这些精密调速系统中，采用了igbt和mct等新型电力电子器件，同时采用了数字信号处理器(dsp)，软件方面则采用了专家系统。目前，国外在一些高精度数控机床和加工中心上已基本淘汰直流伺服电动机驱动系统。

    开关磁阻电机近年也有了迅速的发展，它是由电子控制器供电的无级调速系统，具有优良的调速性能，可与直流电机调速系统相媲美，是一种典型的机电一体化产品，已经推广到许多工业领域和家用电器领域。开关磁阻电机结构比直流电机简单，甚至比笼型电机还简单，无换向器和电刷，转子铁心上无绕组，有可能在中小功率范围内与笼型电机争雄，会占有一部分市场，这个动向已引起欧美等国的重视。

    将控制和保护电路直接装在电机内，使控制电路和电机融为一体，这已不是鲜为人知的事。80年代初期发展起来的片状微电机，就是一个典型的范例。这种电机没有换向器和电刷，在线圈的空隙中放有用来检测转子位置的霍尔元件和检测转子速度的频率发生器(fg)，省去了电机附加测速发电机的特殊结构，并配有控制电枢电流和接受处理信号的电子电路。图1给出了这种片状无刷电动机的驱动回路图，它基本上有两部分组成，一是以频率发生器(fg)得到的速度信号，即电枢电流产生力矩反馈电路的速度控制回路。二是处理从霍尔元件得到的转子位置信号，适当地分配电枢电流的相位控制电路。片

状微电机目前在oa、fa、ha以及fdi)市场上应用广泛。机电一体化技术使微电机大大扩展了其应用领域和更新换代的速度。

3  机电一体化微电机的发展前景

3．1超微电动机

    超微电动机是指那些形状非常小(1mm以下)，重量很轻，并且在同一块基板上(硅或其它材料)，采用微电子技术和微加工技术制造出的机电一体化传动装置。 

    超微电动机属于微机电系统(mems)的研究范畴，它的发展得益于1983年加利福尼亚大学巴库勒依学院roger’howe研制成功的所谓牺牲层(sacrificial layer‘)技术。采用该技术不仅能在硅片上较容易地制造出微型构件，而且也能把它们整体直接装配在基片上构成一个整体。1988年7月，美国加利福尼亚大学的研究人员制成了厚度只有1～1．5μm、直径100／~m的超微电动机，整个电机设计在一块集成电路芯片上，用静电力驱动，制造电机的材料是磷酸硅。我国目前已有数家正在进行研究，最早开始研究的是东南大学，但真正转起来的是3年前清华大学孙曦庆等报道的静电同步马达，转子直径120btm，转速1 200r／min，用芯片上的光电器件在线检测。中科院上海冶金所开发的超微静电电机，转子直径1009m，转速在0．001～20r／min之内连续可调，且采用径向力驱动，最小驱动电压为20v，比早期报道的切向力驱动的静电电机具有更大的输出转矩，这些都充分表明了我国在超微电动