现代先进驱动技术及其应用

1现代先进驱动技术及其应用叶云岳浙江大学{310027}yeyunyue@摘要本文对非电磁式的新型直线驱动技术的研究现状，应用状况，存在的问题以及发展前景作了简要的综述，以其引起更多从事直线驱动技术研究人员的注意，使我国的新型直线驱动技术发展的更快，更好。

关键词：直线驱动；压电驱动；磁致伸缩驱动；记忆合金驱动；光驱动；静电驱动；超导驱动1.概述驱动技术是人类生存不可缺少的一个重要组成部分。

随着现代社会、科技的日益发展，驱动技术也在向着现代化的方向发展。

形成了现代先进的驱动技术，现代先进的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。

其中的部分先进驱动技术是从传统驱动技术中进一步展开而来，而另一部分先进驱动技术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。

现代先进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. 现代先进的电磁驱动技术2．1传统改进型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）、高、低速电机技术。

高速电机现在世界上有一些国家已研制达到20万转/分以上，这种电机是一种系统技术，他包括电机本体结构、材料、以及控制系统等。

低速电机则可达到10转/分以下。

2）、不同型式转子电机技术。

诸如实心转子、外转子、双转子、盘式、杯式、锥形等。

3）、各种新型步进式电机等。

2．2 新发展型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，如直线电机技术、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等。

1）．直线电机技术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。

2）． 无刷直流电机技术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的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。

3）． 开关磁阻电机技术开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，作为调速驱动应用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。

4）各种永磁电机技术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。

5）磁悬浮驱动技术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500公里时，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,即相吸型与相斥型。

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）．电磁发射驱动技术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），电磁力作功，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。

3、现代其它先进驱动技术除电磁驱动技术以外，近年来，其它各种非电磁类（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），的驱动技术也不断出现，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，其它如光驱动技术、超导驱动技术、静电驱动技术、金属氢化物驱动技术、形状记忆合金驱动技术，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). 压电驱动技术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）．磁致伸缩驱动技术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（Joule effecf）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，且在低温下。

因此，一直末能得到应用。

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). 光驱动技术。

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。

4）.静电驱动技术与分子马达所谓静电驱动技术，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8转/秒。

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他东西，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。

5）形状记忆合金驱动技术形状记忆合金（Shape Memory Alloy，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，但当加热到某一适当温度时，则它就能恢复到变形前的形状。

利用形状记忆合金，这种能变形伸缩的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。

6）其他各种非电磁类先进驱动技术除以上几种非电磁类先进驱动技术外，还有其他各种非电磁类先进驱动技术，如超导驱动驱动技术、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。

4、现代先进驱动技术的应用4．1. 现代先进驱动技术在工业设备中的应用现代先进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）、数控加工方面近几年，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、磨擦、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、Y、X Z三轴均采用了直线电机技术。

在19届JIMTOF上，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、Taylor Mobson的两轴小型超精密镜面加工机床，AID ENGINEERING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，Grob system，Precitech，Renault Automation，Gildemeistre，Deckel Maho和Forest Line等，除一般机床、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。