现代驱动技术综述

关键词：现代驱动技术 电机 压电 磁致伸缩 形状记忆合金 光 超导
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐ－ ｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｄｒｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｔｙｐｅ，ｉｔｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ａｕ－ ｔｈｏｒ ａｌｓｏ ｆｏｒｅｃａｓｔｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｄｒｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
除电磁驱动技术以外，近年来，其它各种非电 磁类的驱动技术（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）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，其它如形状记忆合金驱动技 术、光驱动技术、静电驱动技术、超导驱动技术、金 属氢化物驱动技术、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。
２ 现代驱动技术的主要类型与特点
２．１ 现代驱动技术的分类 如上所述，现代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。电磁式的 又可以分为传统改进型与新发展型。非电磁式的 则以新发展型为主。它们的分类一般按框图所示。 ２．２ 现代电磁驱动技术 ２．２．１ 传统改进型
在这一类的现代驱动技术中，以原有的电磁
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ｘ、ｙ、ｚ三轴均采用
《电机技术》２ ０ ０ ５ 年第 １ 期 ． 5 .
现代驱动与控制
Drive & Control
了直线电机技术。在１ ９ 届Ｊ Ｉ Ｍ Ｔ Ｏ Ｆ 机床展上，日本 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Ｈ Ｖ Ｍ ６ ０ ０ 卧式加工中心，新 日本工机的８０Ｌ超高速多轴加工中心（Ｍｕｌｔｉｃｅｎｔ－ ｅｒ），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，Ａ Ｉ Ｄ Ｅ Ｎ Ｇ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ Ｎ Ｇ 和山田 Ｄ Ｏ Ｂ Ｂ Ｙ 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，Ｐｒ－ ｅｃｉｔｅｃｈ，Ｒｅｎａｕｌｔ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｇｉｌｄｅｍｅｉｓｔｒｅ，Ｄｅｃｋｅｌ Ｍａｈｏ和Ｆｏｒｅｓｔ Ｌｉｎｅ等，除一般机床和加工中心采 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。我国浙江大学、广东 工大、沈阳工大、清华大学及南京、宁波、杭州、温 州等地一些机床厂，也已研制了一些直线电机技 术驱动的机床样机。
３．１ 在工业设备中的应用与国内外的发展 现代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、摩擦、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。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｏｄｅｒｎ ｄｒｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ Ｌｉｇｈｔ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
１ 概述
所谓现代驱动技术，指的是有别于传统的驱 动技术，是一种新颖的或更先进的驱动技术。现代 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。现代驱动技术中的一部分是 从传统驱动技术中进一步展开而来，另一部分则 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。
（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。
（５）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Ｉ Ｃ 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。
（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 ｅｆｆｅｃｔ）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，且需在低温下，因此，一直未能得到应 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
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。
（４）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。
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（Ａ Ｔ Ｐ ）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８ｒ／ｍｉｎ。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它东西，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。
Drive & Control
现代驱动与控制
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）形状记忆合金驱动技术 形状记忆合金（Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ，简称为
《电机技术》２ ０ ０ ５ 年第 １ 期 ． 3 .
现代驱动与控制
Drive & Control
（１）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。
（６）其它各种非电磁类现代驱动技术 除以上几种非电磁类现代驱动技术外，还有
其它各种非电磁类现代驱动技术，如超导驱动技 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。
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，当加热到某一适当温度时，它 就能恢复到变形前的形状。利用形状记忆合金，由 这种能变形伸缩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。
锥形等。 （３）各种新型步进式电机等
２．２．２ 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驱动技术外，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、直线电机技术、磁 浮驱动技术、电磁弹射技术等。
图 现代驱动技术主要分类
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
２００ｋｒ／ｍｉｎ以上，这种电机是一种系统技术，它包 括电机本体结构、材料、以及控制系统等。低速电 机则可达到１０ｒ／ｍｉｎ以下。