MEMS执行器__微电机

微执行器的核心部件是微电动机 , 在微执行 器中占主导地位。根据其执行原理不同分为不同 类型，其各自的性能和应用场合也各异。
微机电系统 执行器
微电机概述
各种执行方式比较
静电 执行
热执 行
压电 执行
磁执 行
材料简单 执行相应速度快 能得到较大位移量 执行相应速度适中 响应快速
需折中驱动力与位移大小 易受吸合效应的限制 功耗相对较大 对环境温度变化敏感 材料制备过程复杂
按电机的运动形式，其基本结构可分为直线位移 型和旋转位移型。
直线位移型SMA电机
微机电系统 执行器
微电机分类
形状记忆合金微电机
旋转位移型SMA电机
微机电系统 执行器
微电机分类
形状记忆合金微电机 对偏置式而言，加热 SMA弹簧，相变发生， 形状回复力克服弹簧拉力，产生动作。冷却时， SMA发生逆相变，此时， SMA弹簧很软，在拉伸 弹簧的作用下，驱动器恢复到原来的位置。如此 反复，可使电机输出位移 。
?材料特性的变化会改变 驱动频率
?连接元件易损耗
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磁致伸缩型微电机
某些材料置于磁场中，其几何尺寸会发生变 化，这一现象称为磁致伸缩效应，这些材料则称 为磁致伸缩金属。根据材料几何尺寸变化形式的 不同, 磁致伸缩效应又可分为纵向效应、横向效应、 握转效应和体积效应。
磁致伸缩型电动机是利用磁致伸缩效应 , 在磁 场激励源下，通过磁致伸缩型驱动器实现能量转 换。可分为直线型和旋转型两种。
可得到较大的位移量
低频工作时性能下降
可产生较大角度位移量 制造工艺较为复杂
可使用很强磁力作为偏置 片上螺线管制造较为复杂
微电机
微机电系统 执行器
微电机分类
静电型微电机 电磁型微电机 压电微电机 形状记忆合金微电机 磁致伸缩型微电机
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静电型微电机
当两个导体施加电压的时候，会产生静电力。
缺点 ? 驱动电压大 ? 输出力矩小
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电磁型微电机
电磁型超微电动机的研究始于20 世纪90 年代,根据
电磁间互相作用产生的电磁力作驱动力驱动转子旋转。电 磁型超微电动机基于传统电磁理论设计,多采用无刷电机 结构。
电磁微电机的结构
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电磁型微电机
根据磁执行原理，利用磁场产生力、力矩或者微结构
静电力的大小与尺寸的平方成反比。静电力很少 用于驱动宏观机械，但是微型器件通常有较大的 表面积体积比以及非常小的质量，使得静电力成 为一种很有吸引力的微执行驱动源。
静电型微电机可分为旋转式和直线式两种。
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静电型微电机
旋转静电微电机
对一组定子电极施加偏置电压，则该组中任一给定电 极与其紧邻的转子轮齿之间会产生面内电场，并在它们 之间产生静电引力，从而使轮齿与定子对准，通过分组 连续激励定子电极，转子可以实现持续的运动。
对推挽式而言，加热一侧 SMA的同时，冷却 另一侧的 SMA，电机具有双向做功的能力。一般 来说，推挽式比偏置式的输出功率太，能量转换 效率高。
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微电机的分类
形状记忆合金微电机
优点 ?驱动电压低 ?结构简单 ?电场干扰小 ?无振动噪声、无污染 ?对人体无毒害作用
缺点
?记忆形状具有一定不稳 定性
压电超声波微电机的结构
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压电微电机
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压电微电机
优点 ? 响应速度快 ? 输出转矩高 ? 廉价质轻
缺点 ?材料制备复杂 ?电机难以实现匀速 ?寿命短
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形状记忆合金微电机
执行机构比较简单，有偏置式和推挽式两种。
MEMS执行器
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机电工程与自动化学院
微机电系统 执行器
论文结构
?微电机的概述 ?微电机的分类介绍 ?微电机的应用 ?微电机的研究和发展方向
微机电系统 执行器
微电机概述
微机电系统 执行器
微电机概述
执行器根据信号处理，控制电路发出的指令 自动完成人们所需要的各种功能。可以通过静电 力、电磁力、压电力、磁致伸缩、超声波和形状 记忆合金膜片等驱动。 .
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微电机分类
静电型微电机
旋转静电微电机的结构
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静电型微电机
静电驱动薄膜直线电机
基于平行板电容器的基本结构，平行板相对运动 有两种——法向移动和切向移动，当固定其中的一个 平板，另一块用机械弹簧悬吊，在偏置电压下，平板 将产生位移。
百度文库
微机电系统 执行器
微电机分类
的位移，驱动磁场作用在载流导线、电感线圈或者磁性材 料。
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电磁型微电机
微机电系统 执行器
微电机分类
电磁型微电机
优点 ?驱动力矩大 ?驱动电压低 ?易于装配
缺点 ?结构复杂 ?与IC工艺兼容性差
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压电微电机
压电电动机按结构可分为行波压电电动机、 驻波压电电动机和复合压电电动机 ; 按照电机激励 部分的材料可分为薄膜压电电动机和陶瓷压电电 动机。
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静电型微电机
? 在位移x处，机械回复力与静电力大小相等， 对上述等式整理可得
? x ? Fm ? Fe ? 1 C(x) U 2 km km 2 (d ? x)km
? 两个电容器极板之间的平衡距离可以通过求 解上述关于 x的二次方程得到。
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静电型微电机
优点 ? 结构简单 ? 功耗低 ? 响应快
静电型微电机
两平行板间施加电压 ,载荷会产生静电力 Fe
Fe
?
1 2
?A
d2
U
2
?
1 2
CU 2 d
假设平板的平衡位置为 x，x轴方向沿着间隙变大 的方向，位移为 x时，电极间的距离变为 d+x,在平 衡位置的静电力为
Fe ?
1 2
(d
?A
? x)2
U2
?
1 C(x) 2 (d ? x)
U2
微机电系统 执行器
压电电动机由于输出转矩大、无电磁干扰、 响应速度快、微小位移输出稳定等优点 , 可用于精 密仪器、照相机、机器人及航空领域。如日本 Canon 公司将圆环式行波超声波电动机用于镜头 的驱动，
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压电微电机
在压电陶瓷片上施加电信号 , 使之产生一定轨 迹的机械振动 , 激励与其粘接在一起的定子弹性体 的振动, 通过弹性体与转子间的相互作用驱动转子 运动。