| 超微電動機發展綜述
摘要：超微電動機能夠滿足電機向微型化、低速和高精度等方面的發展需要，因而近年來成為國內外學者的研究熱點。文章綜述了各種超微電動機的原理、發展現狀及應用領域，詳細比較和分析了各種超微電動機的優缺點。超微電動機的研發和優化對醫學、航天和機器人等領域的研究具有重要的意義和價值。
關鍵詞：超微電動機，靜電，電磁，壓電超聲波，磷致伸縮，形狀記憶合金
0概述
隨著超微電動機技術、電力電子技術的高速發展及集成電路制造技術的日趨成熟，可應用集成電路制造技術加工微型可動構件并將其應用于微系統中，逐步形成微機電系統。微機電系統主要包括微型結構、控制器、動力源、傳感器以及微執行器等部分。微執行器是微機電系統重要的動力構件，可通過靜電力、電磁力、壓電力、熱膨脹力、磁致伸縮、電液驅動、超聲波以及形狀記憶合金膜片等驅動。微執行器的核心部件是超微電動機，在微執行器中占主導地位。1988年加利福尼亞大學巴庫勒依學院開發出一個僅有頭發絲直徑大小的靜電超微電動機，立即引起了國內外對超微電動機的廣泛關注。近年來，包括我國在內的許多國家在超微電動機領域中進行了大量的研究，各國科學家相繼研發出具有多種驅動力輸出形式和用于各種微機械系統的超微電動機”。本文對各種驅動形式的超微電動機的原理、性能及應用做了較詳盡的分析和比較。
1超微電動機的驅動機理及研究現狀
l 1靜電電動機
1 1 1工作原理及特性
靜電電動機是利用電荷間的引力和斥力的相互
收稿日期：2008．08．29作用順序驅動電機產生平移或旋轉運動。靜電力屬
于表面力，與器件尺寸的二次方成反比，在尺寸微小化時，能產生很大的能量。其結構簡單，沒有磁性材
料和線圈。采用電壓或電荷控制，器件的制作工藝
與集成電路工藝相兼容，便于實現系統集成，目前已成為微機電系統微驅動器發展的重要趨勢。靜電電動機按照電動機運動部分材料和設計特點可分為介質電機和導電極板電機(即變電容型電機)，變電容型電機包括頂驅動電機、側驅動電機、擺動電機及法蘭盤電機，按照運行方式的不同可分為旋轉電機和直線步進電機，根據電機運動部分所處的媒質不同可將電動機分為液體驅動電機和氣體驅動電機變電容型靜電電動機因其結構和原理簡單，備受人們關注。
1 1 2研究現狀及應用
1 1 2 1研究現狀
靜電電動機具有漫長的發展歷史。在電磁電機
誕生一百多年前，愛爾福特的哲學教授(抽r-don發明龜鈴巢置，這可看作是靜電電動機的雛形”之后很長一段時間靜電電動機的研究進展緩_Lv 20世紀90年代，美國、德國、意大利、英國等歐美國家及日本、韓國、中國等都大力開展靜電電動機的研究。日本和美國是目前靜電電動機研發最為先進的國家。電機結構上，日本主要研究直線型靜電電動機，而美國等國家主要研究旋轉型電機，加工方式上，日本主要采用傳統機械加工手段金屬與塑料部件的切削、研磨)：美國主要采用硅表面微細加工技術：而德國則以L IGA德文光刻、電鑄、塑鑄)技術為代表，采用電鑄成型和鑄塑的方法形成深層微結構。
靜電力與尺寸的平方成反比，隨著尺寸的減小而增大。根據靜電力的這種特性，各國學者紛紛致力于超微靜電電動機的研究，電機尺寸一般為毫米或亞毫米。美國學者研制出轉子半徑75、125 pm的凸極多晶硅表面晃動超微電動機，****轉速可達35 ：加拿大學者研制出轉子直徑約60 pm
的靜電步進超微電動機，其結構如圖l所示；日本學者MatSuzaki K等研制出轉子半徑為300 pm的毫米尺寸電機。但這些電機存在的****問題是輸出轉矩過小，約為l×10州Nm數量級，定轉子耐直線型電機為動子)問摩擦較大、壽命短，離實用化有很大差距。為此，各國學者開始研發高轉矩、大的
力體積比、小摩擦、高可靠性的靜電電動機。這些性能的改進，主要通過開發新型結構的電機來實現。為提高電機的輸出轉矩，提出雙定子結構的靜電電動機，目前研究的靜電電動機輸出矩可達到l×10～、l×10。Nm數量級：為提高力體積比，日本學者提出多層多元件疊式結構超微電動機，通過多個小元件集成，電機輸出推力可隨任何一個元件尺寸的減小及數量的增加而增大，獲得的高力體積比可與常規電機相比擬，日本研制出推力可到達幾十至幾百牛的靜電電動機：為減小摩擦：瑞士、日本等的學者提出靜電懸浮結構的電機，使轉子懸浮于定子上面或下面從而減小接觸摩擦：日本學者還提出在直線薄膜靜電電動機的定子和動子問分散地放置直徑為幾微米的玻璃珠減小摩擦的方法。圖2為日本學者Higu等研制雙激勵多相靜電驅動的
薄膜直線電機結構示意圖M，電機可產生4 4 N的推力，當將電機制成50層薄膜電機組成的疊式結構時可產生320N的推力。
圖1步進超微電動機的頂視圖及橫截面圖。
電極
圖2雙激勵多相靜電驅動電機結構示意圖…我國的清華大學、上海交通大學等單位對靜電電動機進行了一定的研究，但還處于初級階段，對電機制作技術及結構設計有待進一步的深入。
1．1．2 2應用
超微電動機作為驅動器能滿足人們對小型化、
多功能以及高可靠性的要求。將靜電電動機運用于航空、醫學、軍事、機器人領域是目前各國研究的重
點。據報道日本東北大學未來科學技術研究中心開
發出一種小型的懸浮型靜電電動機，并計劃以這種技術為基礎展開超小型陀螺儀的開發研究口。美國嘗試將靜電電動機用于進入衛星、宇航飛機內檢
查故障的帶攝像裝置的機器及微型無人機M。
臨床醫學的發展趨勢是采用微創的醫療手段來替代傳統的開放性手術，從而極大地減輕患者的痛苦提高手術的安全系數，降低醫療費用。光學導管內窺鏡被廣泛應用于腸胃、泌尿、腹腔及腦神經外科的診療中。
日本豐田中央研究所利用表面微機械加工技術制成的變電容型靜電電動機被用于驅動微機械光學斬波器，通過在電機電極問施加電壓產生的對應拉力，使柵格偏移：美國眥大學利用
12：8變電容型靜電電動機制成光學開關。
東京大學精密工程系工程研究所研發的靜電薄膜直線電機并用于機器魚中，驅動尾鰭擺動，機器魚可產生O 018 m／s的運行速度哺。
靜電電動機在微領域中顯出了自身的優勢，但靜電電動機的驅動電壓大，輸出力矩小。
1．2電磁電動機
1．2 l工作原理及特性
電磁型超微電動機的研究始于20世紀90年代，根據電磁問互相作用產生的電磁力作驅動力驅動轉子旋轉。電磁型超微電動機基于傳統電磁理論設計多采用無刷電機結構。電磁超微電動機的結構如圖3所示。
圖3電磁電動機結構
1．2 2發展現狀及應用
1．2 2 l發展現
電磁超微電動機自誕生以來，受到人們極大的重視，近年來發展很快。美國的學和理工學院及日本的東京研究所、東芝、松下公司等部門對電磁超微電動機進行了大量的研究。目前已研制出的電磁超微電動機有滑動式、轉動式、平動式、滾動式等多種形式。電磁超微微特申機 2009年第4期電動機向著微型化、實用化及驅動電路集成化方向發展。電磁超微電動機由于結構復雜，需要電磁線圈和鐵心等結構，往往難以滿足體積微小的要求，各國學者致力于開發新型的加工工藝和永磁材料，以實現超微電動機的小型化：實用化涉及超微電動機輸出轉矩的提高，為此學者們提出雙定子結構的超微電動機，通過增加繞組層數等方法增大電機的輸出轉矩：隨著工業技術和電力電子技術的迅速展，要求新一代超微電動機具有體積小、精度高、可靠性高和良好的控制性能¨川，即要求相應的控制電路的微型化和集成化。
我國的上海交通大學和中國科學院長春光學研究所對電磁超微電動機均作了大量的研究，并取得了一定的研究成果。其中上海交通大學研制出定子直徑分別為2 mill和lmill的電磁超微電動機，****轉速分別可達25 000 r／1nin和18 000 r／1nin【并進一步研制出雙定子結構的超微電動機：中國科學院長春光機所成功研制出定子半徑為10 mm的電磁型平面超微電動機。驅動電壓為3 v時，測得電機轉速范圍為l(000、4 000 r／1ninll引。
1．2 2 2應用
電磁電動機主要用在醫療、航天航空、微型機器人等領域。上海交通大學把直徑l、2 mill的電磁超微電動機用于人體直腸內窺鏡的前端，驅動自動植入內窺鏡系統的前端物鏡¨引。
電磁超微電動機在航天領域也有著廣闊的應用前景，它可用作微型飛機、微型衛星等航天器的驅動源，能減輕飛行器的重量，且能滿足飛行器的特殊要求。據報道，美國正在發展電磁超微電動機驅動的可攜帶微型視頻攝像機的偵察用無人飛機：在國內，上海交通大學利用電磁超微電動機驅動的微型直升飛機，已于1999年3月試飛成功。
日本東芝公司研制出體積不到l mm。、轉速可達60、10 000 r／1nin、輸出轉矩(=l 5Nm的電磁電動機，東芝公司希望將這種超微電動機安裝在微型機器人上用未檢查小型管道及生產設備的裂紋。 電磁電動機具有旋轉軸，可以傳送能量：易和宏觀系統聯接使用：其控制系統已較成熟，可在惡劣的環境下工作。較靜電電動機易于裝配、驅動力矩大、可在低電壓下驅動、能量轉換效率高。但其與lC工藝兼容性較差、電磁型超微電動機一般為三維空間結構，驅動部分采用微細加工技術制作，工藝較復
雜、且有直流損耗。1．3壓電電動機
1．3．1工作原理及特性
壓電電動機也稱超聲波電動機，是利用壓電材商篙州一料的逆壓電效應，在壓電陶瓷片上施加電信號，使之產生一定軌跡的機械振動，激勵與其粘接在一起的定子彈性體的振動，通過彈性體與轉子問的相互作用驅動轉子運動。壓電電動機的結構如圖4所示。
圖4壓電電動機結構
壓電電動機按結構可分為行波壓電電動機、駐波壓電電動機和復合壓電電動機：按照電機激勵部分的材料可分為薄膜壓電電動機和陶瓷壓電電動機。按照定轉子接觸方式的不同，可分為摩擦驅動、非摩擦驅動和非接觸型壓電電動機。
1．3．2研究現狀及應用
1．3．2 l研究現狀
20世紀60年代，前蘇聯科學家最早提出壓電電動機的原始構想，指出可以通過彈性介質表面質點的行波運動來實現機械摩擦驅動引。20世紀90年代后，壓電電動機成為國際學者廣泛關注的研究熱點。國外研究的壓電電動機主要有棒狀行波壓電電動機、環形及旋轉型壓電電動機。1993年，美國Racmo等人采用表面微機械加工技術研制出尺寸為6×6×2 mm。、轉速可達600 r／1nin的壓電電動機引，該電機的輸出凈轉矩為50斛m：1998年瑞典的M．Bexell等人研發出一種利用多個雙疊片端面的橢圓擺動驅動轉子旋轉，直徑為4：mill、轉矩3．
75 mNln、****轉速為65 r／1nin的駐波壓電陶瓷電動機川。但這些電機的輸出轉矩偏小，很難滿足實用化要求。目前日本和美國正在研究大力矩、多自由度、小型化的旋轉壓電電動機。日本的TakeshiMor渤等人于1997、2000年分別研制出四種筒狀壓電電動機，這類電動機利用上端面的行波驅動轉子旋轉，可用于微機器人的關節部位：2002、2005年Manaba A03ragl等人研制多自由度壓電電動機，由薄膜工藝制成，可實現三個正交方向的自由旋轉1引。美國研制一種具有金屬．陶瓷復合結構的直徑3 mill、厚(=l 5 mill的電動機，該電動機由定子、轉子、軸承和腔體組成，利用壓電陶瓷的徑向振動，通過金屬的四個懸臂梁轉換電機的圓周旋轉。2007年韓國研制出2l層壓電薄膜制成的6lⅪ>(3mill。的直線壓電電動機¨州。
我國對壓電電動機的研究最早是清華大學，于1989年開始的，先后研究了旋轉型和直線型步進電動機及棒狀壓電電動機。哈爾濱工業大學、長春光機所、東南大學、浙江大學、天津大學、上海交通大學、南京航空航天大學等高校先后開展了超聲波電動機研究，并取得了較為突出的研究成果。我國在,電機小型化、多自由度、大轉矩方面也進行了大量的h開~o 2003年清華大學研制出采用復合激勵方式的多自由度壓電陶瓷棒狀電動機，該電機尺寸微小，結構簡單，直徑在0 5～10mm之間。2006年上海大學研制出小型二維平面超聲波電動機，電機尺寸；27mm X27mm X4 5mmt o 2007年哈爾濱工業大學也研制出多自由度的超聲波電機。
1 府田
壓電電動機由于輸出轉矩大、無電磁干擾、響應速度快、微小位移輸出穩定等優點，可用于精密儀器、照相機、機器人及航空領域。2000年美國PolhD等學者研制硅基壓電直線步進電動機，轉速可達1 2 mm／s將其用于微機電系統中，壓電電動機在照相機自動對焦中的使用日益擴大，已達到實用化階段。日本camn公司將圓環式行波超聲波電動機用于鏡頭的驅動，日本公司研制出壓電電動機為驅動源很小的行走機器人，駐波單向驅動壓電電動機已經應用于手表振動報警和日歷盤的驅
靜電電動機在微領域能獲得較大的驅動力，但驅動電壓大，驅動力矩小，電磁電動機的驅動力矩大，但制作工藝復雜，設備昂貴，壓電電動機介于兩者之間。壓電陶瓷作為致動元件，具有廉價、質輕、小巧、響應速度快、高轉矩、無磁場作用”、微小位移輸出穩定等優點。此外，它對結構動力學特性的影響db．4，十通過分布排列實現大規模的結構驅動，具有較強的驅動能力。但壓電電動機控制困難”、薄膜制備工藝對壓電薄膜性能影響大，摩擦發熱影響電機性能，使電機難以實現勻速運動，壽命短且存在振動等問題，限制了壓電電動機器人的應用，這些問題的解決還有待進一步的研究。
1．4形狀記憶合金電動機
形狀記憶合金(以下簡稱吣)是一種具有形狀恢復特性的金屬，這種金屬在某一溫度下塑性形變(馬氏體相)，當他們升到較高溫度時@氏體相一母相)，將完全恢復原先的形狀，在恢復形狀時，這種金屬所產生的位移或力或兩者的結合將是溫度的函數，利用SViA的形狀記憶特性可以制作對環境溫度敏感的：2MA電機。
形狀記憶合金電動機可利用微加工技術加工而成。設計與制作主要根據其變形后形狀可恢復特性及恢復過程中伴隨產生的力及位移。微型化的蝴有很高的力重量比，驅動電壓低、結構簡單、容易設計、電場干擾小、遠距離操作性能好、驅動控制方式成熟。其不足是記憶形狀有某種程度的不穩定：材料特性的變化，尤其是電阻值的變化，會改變驅動頻率，疲勞作用使恢復應變特性降低，連接元件易損耗。盡管存在以上不足，影響精密控制的準確性，但應用在精度要求不高的裝置上曲行基本的運動是能夠滿足要求的。該電機****的優點是對人體無毒害作用，非常適合在醫療方面的應用。
l 5磁致伸縮型電動機
某些鐵磁材料置于磁場中，其幾何尺寸會發生變化，這一現象稱為磁致伸縮效應，這些鐵磁材料則稱為磁致伸縮金屬。根據材料幾何尺寸變化形式的不同，磁致伸縮效應又可分為縱向效應、橫向效應、握轉效應和體積效應。磁致伸縮型電動機是利用磁致伸縮效應，在磁場激勵源下，通過磁致伸縮型驅動器實現能量轉換。磁致伸縮型電動機弋津上可分為直線型和旋轉型。
國外在磁致伸縮型電動機方面做了很多工作，日本、美國、德國等國家對磁致伸縮型電動機進行了大量的理論和實驗研究，并取得一些應用成果。我國對磁致伸縮型電動機的研究起步較晚，理論研究方面偏多，目前商品化的磁致伸縮型電動機很少。
磁致伸縮型電動機因抗壓強度大、反應速度快等優點，被用于傳感器中。目前，人們利用材料性能較高的磁致伸縮應變系數，制作出了各類微機電系統伺服器，如精密定位裝置、微型電動機、流體控制系統㈣泵、微閥)”。此外，磁致伸縮型電動機在醫療器械中也有應用。
2結語
工業技術和電力電子技術的高速發展，促使電機向著小型化、大轉矩、低速、高可靠性方向發展。傳統電磁電機已發展較為成熟，但在某些性能上很難達到要求，促使人們開發新原理、型加工工藝的微型電機。本文綜述了幾種超微電動機的原理和研究現狀，靜電電動機、電磁電動機及壓電電動機是****實用化性能的電機。近年人們又研發了磁致伸縮型電動機、形狀記憶合金電動機及分子超微電動機等。超微電動機在微領域具有廣泛的應用前景，應用時應根據需要和應用選擇超微電動機并進行優化。超微電動機的開發將向著新材料、新原理、低成本、微型化、集成化方向發展。新型超微電動機的研發對醫學、航天航空及機器人等領域的發展具有重要意義。
參考文獻
閻立，褚祥誠，董蜀湘，等壓電微馬達的研究進展[J]壓電與聲光。
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