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壓電電機原理及應(yīng)用

編輯：海德星管理員   瀏覽次數(shù):次    更新時間：2015-01-17 20:28

              http://m.forherbox.com.cn/../Upload/PicFiles/2013830923132864.jpg壓電電機原理及應(yīng)用


  

 一、原理
      壓電電機技術(shù)是振動學(xué)、波動學(xué)、摩擦學(xué)、動態(tài)設(shè)計、電力電子、自動控制、新材料和新工藝等學(xué)科結(jié)合的新技術(shù)。壓電電機不像傳統(tǒng)電機那樣利用電磁的交叉力來獲得其運動和力矩，壓電電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動來獲得其運動和力矩的，將材料的微觀變形通過機械共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運動。在這種新型電機中，壓電陶瓷材料盤代替了復(fù)雜的銅線圈和鐵芯。
 
 二、與傳統(tǒng)電機的比較優(yōu)點：
      壓電電機與傳統(tǒng)電機相比，具有結(jié)構(gòu)靈活、小型輕量、響應(yīng)速度快，無噪音、低速大扭矩、控制特點好、斷電自鎖、不受磁場干擾，運動準(zhǔn)確等優(yōu)點，另外還具有耐低溫、真空等適應(yīng)太空環(huán)境的特點。首先由于質(zhì)量輕，低速且大扭矩從而不需要附加齒輪等變速結(jié)構(gòu)，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的震動、沖擊與噪音、低效率、難控制等一系列問題；其次它突破了傳統(tǒng)電機的概念，沒有電磁繞組和磁路，不用電磁相互作用來轉(zhuǎn)換能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)、超聲振動和摩擦耦合來轉(zhuǎn)換能量。從而實現(xiàn)了靜音、精確、無電磁干擾等優(yōu)點。可以說壓電電機技術(shù)處于電機行業(yè)最新科技之列。
 三、發(fā)展歷史及現(xiàn)狀：
      壓電電機的雛形最早由前蘇聯(lián)在60年代初提出。1973年，美國IBM公司的H.V Barth博士、前蘇聯(lián)的V.H.Lavrinenko等人研制出原理性的壓電電機。80年代，日本許多科學(xué)工作者致力將美國和蘇聯(lián)的原理性樣機開發(fā)成使用的壓電電機，并于90年代初投入到商業(yè)應(yīng)用。至今，日本、美國、俄羅斯。德國競相研制各種類型和用途的壓電電機。 在國內(nèi)，到目前為止，還沒有其它的壓電電機規(guī)?；a(chǎn)企業(yè)。進行研究的主要是一些學(xué)術(shù)機構(gòu)，如南京航空航天大學(xué)，清華大學(xué)，浙江大學(xué)等，而產(chǎn)學(xué)研一體的研究所只有南京航空航天大學(xué)的精密驅(qū)動研究所一家。 南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動研究所于2008年3月以技術(shù)和專利參股組建了江蘇春生壓電電機有限公司，擁有江蘇省企業(yè)院士工作站。
 四、壓電電機的應(yīng)用：
      壓電電機作為一種新型的微電機，在轎車電器、辦公自動化設(shè)備、精密儀器儀表、計算機、工業(yè)控制系統(tǒng)、航空航天、智能機器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，基于壓電電機的研究成果，國外已經(jīng)成功應(yīng)用于照相機的自動焦距裝置、傳送裝置、自動升降裝置、精密繪圖儀、微機械驅(qū)動器等領(lǐng)域。 
    （1） 光學(xué)機器 
     壓電電機在照相機、攝像機、顯微鏡等光學(xué)儀器的聚焦系統(tǒng)中作為驅(qū)動原件，能獲得理想的效果。接觸式USM具有低速大扭矩的特點，在許多應(yīng)用場合中可免去減速裝置直接驅(qū)動。最典型的是應(yīng)用于照相機的自動焦距鏡頭中，與采用傳統(tǒng)電機鏡頭相比，具有安靜、無噪音、定位精度高、調(diào)焦時間短、無齒輪減速、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。 
     光學(xué)顯微鏡的自動焦距、顯微定位、微納米計算尺，LCD等顯示平板的生產(chǎn)測試檢查，晶片檢查定位，消除振動系統(tǒng)，天文觀測儀器，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，微型掃描儀，基因處理，微型手術(shù)，光學(xué)鏡面調(diào)整等都可以通過運用壓電電機來實現(xiàn)理想的效果。 
    （2）汽車 
     壓電電機用于汽車車窗的驅(qū)動裝置中，可使它體積扁小、低速大扭矩的優(yōu)點發(fā)揮得淋漓盡致。它還可用于磁懸浮列車上，為使列車懸浮于軌道上，是通過超導(dǎo)電流產(chǎn)生強磁場，需要大力矩和控制性能良好的驅(qū)動器，這對于USM來說是最適合的。 
    (3)航天中的運用 
     電機在低溫和真空條件下的運行特性對航空航天的發(fā)展是極為重要的。壓電電機具有的結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、不受磁場干擾、真空下無需潤滑的優(yōu)點，是電磁電機在航空航天領(lǐng)域所不具有的。1995年末，美國航空航天局噴氣推進實驗室首次將直線壓電電機用于多功能爬行系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于航天飛船外艙壁的檢查，其承載重量與自重比達10：1。利用其低速大力矩和高精度等特點、NASA用于火星探測器的輕量機械臂上，采用壓電電機取代有刷直流電機后，Mars ArmⅡ結(jié)構(gòu)雖與Mars ArmⅠ相似，但重量減輕了40%，其主要原因是用壓電電機能直接驅(qū)動，另外還可大大縮小工作空間，如NASA的Calileo航天器上的濾波齒輪(Filter wheel)在使用壓電電機前后的尺寸縮小了4倍。利用其驅(qū)動方式靈活的特點，日本宇宙研究所研制了兩種直線壓電電機用于空間伸展結(jié)構(gòu)的伸展和收縮。利用壓電電機的響應(yīng)快等特點，美國和法國用于導(dǎo)彈的測控系統(tǒng)；利用結(jié)構(gòu)簡單可微型化的特點，日本研制微型壓電電機用于微衛(wèi)星等領(lǐng)域。此外，日本和美國等國家正在進行壓電電機的各種研究，用于航天等軍事領(lǐng)域。由此可見，壓電電機以其大扭矩、高重量比、快速響應(yīng)、高精度和斷電自鎖等特點、將在航天航空等軍工領(lǐng)域中受到愈來愈大的重視。 
    (4)工業(yè)機床中的應(yīng)用 
     由于壓電電機結(jié)構(gòu)剛度大、定位精度高，它可用于工具驅(qū)動與控制裝置以及工件的定點傳輸。如機床的精密進給機構(gòu)、刀具的磨損調(diào)度裝置、微細電火花機的加工裝置、工件準(zhǔn)確定位與裝夾、縮緊裝置及夾具的快速調(diào)整。 
    (5)醫(yī)療與生物學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用 
     生物材料微型操作器、計量設(shè)備、微型噴嘴、沖擊發(fā)生器、腎結(jié)石破碎治療機、氣管超聲掃描器。許多科學(xué)儀器，醫(yī)療器械會產(chǎn)生強磁場或者對電磁場干擾具有嚴(yán)格的要求，而壓電電機恰能避免這些問題，所以可以用于核磁共振環(huán)境下設(shè)備的驅(qū)動。 
    (6)民用產(chǎn)品的應(yīng)用 
     首先由于壓電電機的靜音、體積小等優(yōu)點，可用于壓縮機的使用上，在家電領(lǐng)域具有廣泛的用途；傳統(tǒng)的電機驅(qū)動由于在中間環(huán)節(jié)，不可避免地存在累計誤差，而壓電電機控制性能好、體積小，可用于精密控制，如電子手表；同時利用其控制精度高的特點，可用于IC、LSI等數(shù)控機器，印刷線路板加工、檢測，晶片構(gòu)建的排列、焊接、封裝等。
類別應(yīng)用范圍
光學(xué)儀器 照相機、攝像機、顯微鏡
汽車 汽車助力器、燃油泵電機、汽車空調(diào)、智能車鎖
航空航天 飛機飛艇等
工業(yè)控制 鏜床、磨床、機器人、軍工產(chǎn)品等
醫(yī)療器械等 生物材料微型操作器、計量設(shè)備、微型噴嘴、沖擊發(fā)生器、腎結(jié)石破碎治療機、器官超聲掃描器
民用產(chǎn)品 壓縮機、電子手表、IC、LSI等數(shù)控機器、印刷線路加工、檢測器、晶片元件、半導(dǎo)體片、智能家居
 五、壓電電機技術(shù)的前景：
      專家預(yù)言：21世紀(jì)將是壓電電機大放光芒的時代，壓電電機可廣泛應(yīng)用于OA、FA、照相機、攝像機、工業(yè)機器人、汽車、家用電器等需要直接驅(qū)動的機構(gòu)中，它將有可能部分取代微型電機。自1960年前蘇聯(lián)一位科學(xué)家提出壓電電機的設(shè)想以來，前西門子公司、AEG公司、松下電器工業(yè)公司、日立萬勝公司、新生工業(yè)公司都在進行開發(fā)工作，有些已經(jīng)達到了商品化開發(fā)程度。 
     可以預(yù)計：21世紀(jì)，為了發(fā)展我國人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、火箭、飛機、機器人、微型機械、汽車、磁浮列車以及其他精密儀器，將需要大量的、高性能的壓電電機。壓電電機技術(shù)的發(fā)展，必將對我國國防和其他國民經(jīng)濟各部門起著重大作用，例如： 
    ●  21世紀(jì)，航空航天是我國重點發(fā)展的領(lǐng)域之一。從國外的應(yīng)用的情況看，它必將應(yīng)用壓電電機。如納米衛(wèi)星、微型飛機、宇宙飛船和空間探測器等，應(yīng)用壓電電機，可以減少其重量，增強其可控性； 
    ●  機器人和微型機械，也是我國21世紀(jì)重點發(fā)展的領(lǐng)域之一。壓電電機可以使機器人和微型機械簡化結(jié)構(gòu)，減輕重量，增強其可控性。隨著壓電電機的微型化，微型機械可進入人體，如作為人造心臟的驅(qū)動器，它將會大大推動人造器官的產(chǎn)業(yè)化進程； 
    ●  21世紀(jì)，我國將要大力發(fā)展磁浮列車。磁浮列車上的強磁場干擾，使得在磁浮列車上的傳統(tǒng)的電磁電機工作失效，壓電電機將大有可為； 
    ●  豪華轎車上的電機之多可達80個，使汽車體積增加，電磁干擾增強。應(yīng)用壓電電機，由于不需減速裝置從而大大降低其體積；由于壓電電機不產(chǎn)生磁場而使汽車的電磁兼容性得到大大改善。汽車上的中央門鎖、門窗玻璃的升降，前視鏡和雨刮器等，均可用壓電電機來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁電機； 
    ●  隨著掌上計算機，可視電話電視、手提式儀器等的發(fā)展，微型壓電電機將可得到廣泛應(yīng)用。壓電電機將使這些微型儀器降低重量和體積，減少其能量損耗； 
    ●  由于壓電電機控制精度高，可達微米級甚至納米級，壓電電機將會在一些精密儀器、醫(yī)療設(shè)備以及半導(dǎo)體制造技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

 
 
                           

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