1987年,加州大学伯克利分校研制成功第一台静电微马达,标志着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)时代的到来。MEMS的出现在旋转机械领域带来了一场微小型化革命,以加工微/纳米旋转机械结构和系统为目的的技术应运而生,促进了微转子系统的长足发展,并逐渐成为MEMS研究的热点。作为MEMS的动力源,微马达一直是研究的热点问题。大功率、高转速马达的发展,对转子和轴承间的润滑技术提出了更高的要求。气浮轴承能够满足其相应的要求,如工作转速高、运行阻力低、运行时几乎没有磨损等。因此气浮轴承在微型高速转子的支撑系统中具有独特优势。国际上,诸多著名院所正致力与该领域的理论研究与实用探索。当前微旋转机械的研究主要集中在微转子系统结构的加工工艺与制造、静态特性分析和测量方法等方面。而针对微转子-轴承系统的动力学特性,尤其是振动特性、摩擦磨损特性、动力润滑特性、动态测试和控制技术及可靠性等方面的研究还很少或尚未涉及。与常规宏观机械理论研究不同,MEMS系统具有突出的微尺度效应。它的问世和发展对转子-轴承的动力学提出新的挑战,加强对微转子-轴承动力学的理论和实验研究是一个迫切的课题。因此,本课题的研究对促进微转子动力学发展,加快微旋转机械应用和产业化的步伐,提高使用效率和可靠性具有重要的学术和应用价值。论文的主要内容包括:微机械的历史和发展简介,对微型转子系统的摩擦磨损特性研究,微观条件下气流机制及分子动力学模型分析,气流速度滑移效应对微型气浮轴承性能的影响,微型气浮轴承-转子系统的稳定性分析和动态响应,电磁型薄膜微马达的振动特性的相关实验研究。首先,论文第一章概述了微旋转机械的国内外研究现状,介绍微机械的发展历史和背景。分析微观条件下各种不同动力驱动方式的特点,介绍微马达研究的情况,特别是介绍动力MEMS的发展,重点探讨微尺度效应对各种动力驱动特性的影响。针对微型旋转机械,分析MEMS情况下的转子动力学及其非线性特性,讨论微旋转机械中出现的摩擦磨损与润滑问题。根据对微型气浮轴承在MEMS环境下应用现状的总结,分析了微型气浮轴承的设计与制造、力学特性以及微观效应对微型气浮轴承的影响。文中第二章讨论了微观状态下摩擦与磨损特性的改变及其对微转子系统性能的影响。随着尺度变小,弹性接触时的摩擦系数呈近似指数增大,塑性接触时的摩擦系数呈近似指数增大或减小;磨损系数随着尺度减小而减小。针对微转子平端枢轴模型、锥形枢轴模型和球形枢轴模型三种模型,根据Archard定律,分析不同模型下的摩擦磨损特性及摩擦力矩对微转子系统的影响,发现各种枢轴模型的线磨损率和体积磨损率与操作变量和形状参数有关。针对微电机中典型的转子轴衬摩擦磨损问题,以半球形轴衬为研究对象,分析了微转子轴衬的摩擦磨损特性和轴衬-极板接触副的接触动力学特性,研究了接触副几何结构参数和操作参量对微转子系统摩擦磨损特性的影响,研究结果表明:微转子轴衬偏离转子中心的距离和转子轴衬的半径对线磨损率和体积磨损率的变化都有一定的影响,改变微转子轴衬的几何结构可用于改变系统的摩擦磨损行为,减小轴衬半径或增大轴衬偏离转子中心的距离可以减少摩擦磨损,但同时也会引起线磨损率和体积磨损率增大。在第三章中,利用微观效应对传统Reynolds方程进行修正,并对气流的无量纲流量进行对比分析。根据微加工工艺的特性,微型气浮轴承轴承与转子间的最小间隙达到微米量级甚至更小,在该尺度下,气膜厚度与气体分子的自由行程相当。气流连续的假设在MEMS系统中遇到新的问题,相比之下,滑移流机制更符合实际情况,此时气流在固体边界上发生速度滑移现象。此外,为了提高模拟分析精度,可变硬球分子模型(variable hard sphere, VHS)和可变软球分子模型(variable soft sphere, VSS)成为微观流体力学中两个主要的分子动力学模型。将VHS模型和VSS模型与滑移流模型结合,得到一阶滑移流、二阶滑移流和1.5阶滑移流情况下修正的Reynolds方程。利用解析法对微流体的无量纲流量进行对比分析,发现各种流体模型的流量与逆努森数密切相关。当逆努森数减小时,连续流得到的结果存在明显误差。几种模型在不同逆努森数范围下将分别得到最佳模拟结果。在论文第四章中研究了微型气浮轴承(包括微型气浮径向轴承和微型气浮推力轴承)的力学特性,重点分析了滑移流效应对轴承性能的影响。利用有限差分法对修正的Reynolds方程进行求解,可以得到微型气浮轴承的气压、承载能力、偏位角。根据第三章分析的结论,针对径向轴承和推力轴承,分别选取二阶滑移流和1.5阶滑移流进行分析,并与连续流与一阶滑移流模型结果进行对比,讨论滑移流效应对轴承力学性能的影响。发现滑移流效应明显降低了气压分布,由此导致承载能力降低。在微型气浮推力轴承的分析中,发现滑块尾部的扩散作用导致低于环境气压区域的存在;另一方面由于滑块表面速度随半径而发生变化,因此引起气压分布峰值和谷值略微向半径增大的方向偏移。论文第五章主要研究微型气浮径向轴承支撑的微型转子系统的稳定性问题。微型马达依靠稳定的工作状态来提供平稳的功率输出,因此要求轴承-转子系统能够高速旋转并能抵抗轻微的扰动。当转子受到轻微扰动时,认为轴承力增量与扰动位移成线性关系,由此给出系统线性运动方程,并根据方程右端矩阵的特征值来得到失稳转速。为了得到准确的动态响应,采用非线性轴承力对受扰转子进行数值模拟。结果表明,转子转速对系统稳定性起决定性作用,当工作转速不低于线性失稳转速时才能保证系统稳定工作。受多种因素制约,实际转子总会存在质量偏心。对于高速工作的微型转子,质量偏心对转子系统稳定性产生显著影响。质量偏心率增大时,转子系统的稳定工作转速区间减小,其涡动幅值增大。当质量偏心超过一定程度后,转子系统不能保持稳定工作状态。最后,实验结果分析:利用干摩擦轴承支撑的电磁型薄膜微马达(直径为2mm,6mm),在较长时间的运转过程中都会出现严重的摩擦,产生发热问题,导致系统不能长时间运行;随着微转子转速的升高,摩擦力增大,定转子间发生碰撞作用,未发生碰摩的时间和发生碰摩时的接触时间越来越短,碰摩越来越频繁,并且,碰摩的不断加重,带来系统严重的发热,最终证明很难提高转速。本文的研究方法和结论对认识并促进MEMS下影响微型旋转机械的摩擦磨损特性,MEMS下的微流体机制与相应的修正方程,微型气浮轴承力学性能,微型转子系统的稳定性分析与动力响应,以及微转子振动特性测试等方面的发展具有一定的科研参考价值。