微特電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

1 微特電機(jī)的的簡(jiǎn)介

微特電機(jī)是指原理、結(jié)構(gòu)、性能、作用等與常規(guī)電機(jī)不同，并且體積和輸出功率都很小的電機(jī)。一般地，微特電機(jī)的外徑不大于130mm，功率在數(shù)百毫瓦和數(shù)百瓦之間。在軍事、民用各種現(xiàn)代化裝備及其控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，如火炮控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機(jī)自動(dòng)駕駛、數(shù)控機(jī)床、無梭織機(jī)控制、工業(yè)縫紉機(jī)控制、遙測(cè)遙控、音像設(shè)備、自動(dòng)化儀表及計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等，都大量使用了各種微特電機(jī)。

如今，在實(shí)際應(yīng)用中，微特電機(jī)已由過去簡(jiǎn)單的起動(dòng)控制、提供動(dòng)力的目的，發(fā)展到對(duì)其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等的精確控制，特別是工業(yè)自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化和家庭自動(dòng)化方面，幾乎都采用了電機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)等相結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品。電子化是微特電機(jī)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。

2微特電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

現(xiàn)代的微特電機(jī)技術(shù)綜合了電機(jī)、計(jì)算機(jī)、控制理論、新材料等多項(xiàng)高新技術(shù)，正從軍事、工業(yè)走向日常生活。因此，微特電機(jī)技術(shù)的發(fā)展要與支柱產(chǎn)業(yè)和高新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求相適應(yīng)。微特電機(jī)主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：

2.1家電用微特電機(jī)

為了不斷滿足用戶要求和適應(yīng)信息時(shí)代的需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能化、舒適化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，甚至網(wǎng)絡(luò)家電（信息家電） ，家電的更新?lián)Q代周期很快，對(duì)為其配套的電機(jī)提出了高效率、低噪聲、低振動(dòng)、低價(jià)格、可調(diào)速和智能化的要求。家用電器用的微特電機(jī)占微特電機(jī)總量的8%：包括空調(diào)機(jī)、洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐、電風(fēng)扇、吸塵器、脫排水機(jī)等。全世界每年需求量在4.5～5億臺(tái)（套） ，此類電機(jī)功率不大，但是種類繁多。家電用微特電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)有：

①永磁無刷電動(dòng)機(jī)將逐步替代單相異步電動(dòng)機(jī);

②進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和效率;

③采用新結(jié)構(gòu)、新工藝，提高生產(chǎn)效率。

2.2信息處理設(shè)備用微特電機(jī)

信息處理設(shè)備用微特電機(jī)占29%：包括信息輸入、存儲(chǔ)、處理、輸出、傳導(dǎo)等環(huán)節(jié)，其中也包括通信設(shè)備。全世界每年需要15億臺(tái)（套） ，主要有永磁直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、微型同步電機(jī)等。微型計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）年產(chǎn)量2000年約1億臺(tái)，2005年預(yù)計(jì)2億臺(tái)，為其配套的關(guān)鍵部件微電機(jī)需求量大，要求越來越高。這類電機(jī)絕大部分是精密永磁無刷電動(dòng)機(jī)和精密步進(jìn)電機(jī)。

它們的特點(diǎn)和發(fā)展方向是：

（1）高投資類產(chǎn)品

這類電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度和轉(zhuǎn)軸的跳動(dòng)度要求非常之高，所以這類電機(jī)是先進(jìn)制造技術(shù)和新興電力電子技術(shù)結(jié)合的高技術(shù)、高投資類產(chǎn)品，國(guó)際上一般集中在大公司開發(fā)和生產(chǎn)。

（2）小型化、片狀化

為了滿足信息產(chǎn)品小型化和隨身攜帶的需求，對(duì)其配套電機(jī)提出了小型化，片狀化的要求。

（3）高速化

隨著計(jì)算機(jī)外設(shè)存儲(chǔ)密度的不斷提高，要求為其配套的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)在8000r/ min之上。

2.3汽車用微特電機(jī)

汽車用微特電機(jī)占13%，包括起動(dòng)發(fā)電機(jī)、刮水器電機(jī)、空調(diào)及冷卻風(fēng)扇用的電機(jī)、電動(dòng)速度表電機(jī)及搖窗電機(jī)、門鎖電機(jī)等。2000年世界汽車產(chǎn)量約5400萬輛，平均每輛汽車需用15臺(tái)電機(jī)，則全球需要8.1億臺(tái)。

汽車用微特電機(jī)技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)為：

（1）高效率、高出力、節(jié)能型

通過高速化、高性能磁性材料選用、高效率冷卻手段和提高控制器效率等措施，提高其運(yùn)行效率。

（2）智能化

對(duì)汽車電機(jī)和控制器實(shí)現(xiàn)智能化，使汽車運(yùn)行在最佳狀態(tài)，達(dá)到能耗最小。

2.4音響設(shè)備用微特電機(jī)

音響設(shè)備用微特電機(jī)占18%，包括電唱機(jī)、錄音機(jī)、VCD視盤及DVD視盤等。全世界每年需求量在10億臺(tái)（套）以上。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)已占60 %左右，主要有印刷繞組電機(jī)、繞線盤式電機(jī)等。

2.5視象設(shè)備用微特電機(jī)

視象設(shè)備用微特電機(jī)占7%，包括攝像機(jī)、照相機(jī)等。全世界每年需求量在3. 5～4億臺(tái)（套） ，此類電機(jī)屬精密型，制造加工難度大，尤其進(jìn)入數(shù)字化后，對(duì)電機(jī)提出了更苛刻的要求。

2.6 工業(yè)電氣驅(qū)動(dòng)及控制用微特電機(jī)

這類微特電機(jī)占2%，包括數(shù)控機(jī)床、機(jī)械手、機(jī)器人等。主要為交流伺服電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、寬調(diào)速直流電機(jī)、交流無刷電動(dòng)機(jī)等。此類電機(jī)品種多，技術(shù)要求高，是國(guó)內(nèi)需求量上升較快的一類電機(jī)。

2.7特種用途微特電機(jī)

該類電機(jī)約占23%，包括宇航飛行、各種飛行器、自動(dòng)化武器裝備、醫(yī)療設(shè)備等。此類電機(jī)多為特殊電機(jī)或新型電機(jī)，包括從原理上、結(jié)構(gòu)上和運(yùn)行方式上都不同于一般電磁原理的電機(jī)，主要為低速同步電動(dòng)機(jī)、諧波電動(dòng)機(jī)、有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)、超聲波電動(dòng)機(jī)、微波電動(dòng)機(jī)、電容式電動(dòng)機(jī)、靜電電動(dòng)機(jī)等。其中超聲波電動(dòng)機(jī)、微波電動(dòng)機(jī)、電容式電動(dòng)機(jī)、靜電電動(dòng)機(jī)是從原理、結(jié)構(gòu)及運(yùn)行上均不同于一般電機(jī)的特種電機(jī)。這些電機(jī)的出現(xiàn)、發(fā)展與電子技術(shù)的發(fā)展、控制技術(shù)的發(fā)展有著密不可分的關(guān)系。

3微特電機(jī)新產(chǎn)品技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和實(shí)際應(yīng)用中新要求的不斷提出，出現(xiàn)了多種不同于傳統(tǒng)電磁型電機(jī)的微特電機(jī)。它們采用新穎的設(shè)計(jì)理念、方法、結(jié)構(gòu)和原理。

3.1永磁無刷電機(jī)

無刷電動(dòng)機(jī)是微特電機(jī)的發(fā)展方向，已在信息、家電、音視、交通工具等領(lǐng)域得到應(yīng)用。隨著永磁材料和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，性能不斷提高，價(jià)格不斷降低，無刷電動(dòng)機(jī)必將得到進(jìn)一步的發(fā)展，需求量將越來越大，同一般異步電動(dòng)機(jī)相比較，新型無刷電機(jī)耗電下降30%～35%，達(dá)到了高效、節(jié)能、小型、輕量的要求。無刷電機(jī)雖然成本價(jià)格高于異步電動(dòng)機(jī)，但由于耗電小、效率高，運(yùn)行成本降低，從節(jié)能的觀點(diǎn)來看，普及無刷電機(jī)必然是大勢(shì)所趨。世界各大公司已在無刷電機(jī)領(lǐng)域展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。因此，隨著元器件、材料性能的提高，無刷電機(jī)的性能也會(huì)大幅度提高，技術(shù)開發(fā)的速度競(jìng)爭(zhēng)將更突出。

3.2超聲波電動(dòng)機(jī)

超聲電機(jī)（ultrasonicmotor， 縮寫USM）是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，使彈性體（定子）在超聲頻段產(chǎn)生微觀機(jī)械振動(dòng)（振動(dòng)頻率在20kHz以上） ，通過定子和轉(zhuǎn)子（或動(dòng)子）之間的摩擦作用，將定子的微觀振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子（或動(dòng)子）的宏觀的單方向轉(zhuǎn)動(dòng)（或直線運(yùn)動(dòng)） 。它打破了由電磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的傳統(tǒng)電機(jī)的概念，是微特電機(jī)技術(shù)發(fā)展中還有一項(xiàng)引人矚目的新技術(shù)。

與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)相比，超聲波電動(dòng)機(jī)有一系列的優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它由兩個(gè)基本部件構(gòu)成：振動(dòng)部件和運(yùn)動(dòng)部件;

（2）單位體積轉(zhuǎn)矩大，是相同體積的傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的10倍;

（3）低速性能好，可以將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到零，能在低速的情況下直接輸出大的轉(zhuǎn)矩;

（4）制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，不需要附加制動(dòng)器;

（5）機(jī)械時(shí)間常數(shù)小，快速性能好;

（6）沒有磁場(chǎng)和電場(chǎng)，無電磁干擾和電磁噪聲等。

目前，超聲波電機(jī)在國(guó)外一些國(guó)家如日本的很多公司已取得商業(yè)實(shí)用化。佳能、松下、日立等公司的超聲波電動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品已用于高級(jí)照相機(jī)、攝像機(jī)、光學(xué)儀器上。超聲波電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向是進(jìn)一步提高效率。

超聲波電機(jī)采用了全新的原理和結(jié)構(gòu)，不需要磁鐵和線圈，而是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)直接獲得運(yùn)動(dòng)和力（矩）的。它打破了迄今為止由電磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的電機(jī)的概念，是處于當(dāng)前世界科學(xué)前沿的高新技術(shù)。由于超聲，電機(jī)具有電磁電機(jī)所不具備的許多特點(diǎn)，盡管它的發(fā)明與發(fā)展僅有20年的歷史，但在宇航、機(jī)器人、汽車、精密定位、醫(yī)療器械、微型機(jī)械等領(lǐng)域已得到成功的應(yīng)用。

3.3高速動(dòng)壓軸承電動(dòng)機(jī)

隨著信息產(chǎn)品向高效高密度和微輕薄方向發(fā)展，為其配套的精密永磁無刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)8000～50000r/ min。高速電機(jī)的軸承也將用動(dòng)壓軸承取代傳統(tǒng)的滑動(dòng)軸承以克服因高速而帶來的諸多技術(shù)問題。

動(dòng)壓軸承與滾珠、滑動(dòng)軸承相比較，有許多優(yōu)點(diǎn);可以抑制不規(guī)則的軸的擺動(dòng)，耐沖擊性提高，壽命長(zhǎng)，噪聲小等。動(dòng)壓軸承電動(dòng)機(jī)有流體和空氣兩種型式，一般轉(zhuǎn)速較低用流體動(dòng)壓軸承，高速用空氣動(dòng)壓軸承。雖然動(dòng)壓軸承電動(dòng)機(jī)目前還存在一些有待進(jìn)一步解決的技術(shù)問題，但是，高速動(dòng)壓軸承電動(dòng)機(jī)是發(fā)展方向已得到普遍的確認(rèn)。

3.4直線電機(jī)

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)各類自動(dòng)控制系統(tǒng)的定位精度要求越來越高，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)再加上一套變換機(jī)構(gòu)組成直線運(yùn)動(dòng)裝置已遠(yuǎn)不能滿足精度要求，直接直線驅(qū)動(dòng)是現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究的內(nèi)容之一，直線電機(jī)是其中的關(guān)鍵技術(shù)。直線電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域也是廣泛的，在需要直線運(yùn)動(dòng)的裝置上，采用直接驅(qū)動(dòng)的直線電機(jī)將優(yōu)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)。由于省去了運(yùn)動(dòng)變換機(jī)構(gòu)，可以提高控制精度。

3.5超微電動(dòng)機(jī)

超微電動(dòng)機(jī)技術(shù)是利用近20年才發(fā)展起來的微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)（MEMS）的一種新型高技術(shù)領(lǐng)域，其特點(diǎn)是基于半導(dǎo)體材料硅的微加工技術(shù)，用來制造尺寸從毫米到微米范圍內(nèi)具有能量轉(zhuǎn)換及傳輸功能的器件。MEMS技術(shù)的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)產(chǎn)生了一次革命性的飛躍。超微電動(dòng)機(jī)有靜電原理超微電動(dòng)機(jī)和電磁型超微電動(dòng)機(jī)，由于電磁型超微電動(dòng)機(jī)比靜電型超微電動(dòng)機(jī)力矩大，轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)，它已在許多領(lǐng)域如內(nèi)窺鏡、微機(jī)器人等中得到應(yīng)用。現(xiàn)在，美國(guó)、日本、俄羅斯、德國(guó)等投入大量人力、物力、財(cái)力開展這項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用，并取得很大進(jìn)展，有的達(dá)到實(shí)用。如日本東芝公司研制出重量為40mg，轉(zhuǎn)速60～1000r/ min，電壓1.7V，直徑僅為0. 8mm的世界上最小的超微電動(dòng)機(jī)，我國(guó)如上海交通大學(xué)也在研制直徑為1mm的超微電動(dòng)機(jī)?？梢灶A(yù)期，隨著納米制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，超微電動(dòng)機(jī)也將得到很大的發(fā)展，而使其擁有更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.6分子電機(jī)

隨著MEMS的發(fā)展，出現(xiàn)了納米機(jī)電系（na2noelectromechanicalsystems，NEMS），特征尺寸可能從幾百到幾個(gè)納米，其中有些在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有重要潛在用途。美國(guó)Cornell 大學(xué)的RickyK. Soong等把單個(gè)的生物分子電機(jī)和納米尺度的無機(jī)系統(tǒng)集成起來，構(gòu)成了用分子電機(jī)驅(qū)動(dòng)的混合納米機(jī)械器件。該生物分子（直徑小于8nm，長(zhǎng)度為14nm）電機(jī)通過在活性系統(tǒng)中水解ATP（腺苷三磷酸） ，能夠產(chǎn)生最大為80～100pN·nm的轉(zhuǎn)矩，與當(dāng)前能生產(chǎn)的納米機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸和力學(xué)常數(shù)相兼容。這一新技術(shù)有望在血管清理中發(fā)揮作用。

4微特電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入21世紀(jì)以后，世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展面臨著兩大關(guān)鍵問題————能源和環(huán)保，一方面人類社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，環(huán)保意識(shí)越來越強(qiáng)，由于微特電機(jī)不僅在工礦企業(yè)內(nèi)大量使用，而且在商業(yè)、服務(wù)行業(yè)也大量使用，特別是更多的產(chǎn)品進(jìn)入了家庭生活之中，所以電機(jī)的安全性直接危及人身財(cái)產(chǎn)安全;電機(jī)的振動(dòng)、噪聲、電磁干擾將成為污染環(huán)境的公害;電機(jī)的效率直接關(guān)系到能源消耗與有害氣體的排放，所以國(guó)際上對(duì)這些技術(shù)指標(biāo)的要求越來越嚴(yán)格，已引起國(guó)內(nèi)外電機(jī)行業(yè)的重視，從電機(jī)結(jié)構(gòu)、工藝、材料，電子元器件、控制線路和電磁設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行了節(jié)能研究，微特電機(jī)新一輪產(chǎn)品在具有優(yōu)良的技術(shù)性能的基礎(chǔ)之上，更將以節(jié)能、環(huán)保為目的，貫徹有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)步，如新型電機(jī)沖片、繞組設(shè)計(jì)、通風(fēng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和低損耗高導(dǎo)磁材料，稀土永磁材料，降噪減振技術(shù)，電力電子技術(shù)，控制技術(shù)，降低電磁干擾技術(shù)等應(yīng)用研究。

在經(jīng)濟(jì)全球化的趨勢(shì)加快，各國(guó)對(duì)節(jié)能、環(huán)保兩大問題更加重視，國(guó)際間技術(shù)交流與合作加強(qiáng)，技術(shù)創(chuàng)新的步伐加快的前提下，微特電機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：

（1）采用高新技術(shù)，向電子化方向發(fā)展;

（2）高效率、節(jié)能化與綠色化發(fā)展;

（3）向高可靠性、電磁兼容性發(fā)展;

（4）向低噪聲、低振動(dòng)、低成本、價(jià)格發(fā)展;

（5）向?qū)Ｓ没?、多樣化、智能化發(fā)展。

另外，微特電機(jī)正在向模塊化、組合化、智能化機(jī)電一體化方向和無刷化、無鐵芯、永磁化方向展，尤其值得關(guān)注的是隨著微特電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的大，環(huán)境的變化，傳統(tǒng)電磁原理電機(jī)已不能完全滿要求。用相關(guān)學(xué)科的新成果，包括新原理、新材料開發(fā)具有非電磁原理的微特電機(jī)已成為電機(jī)發(fā)展一個(gè)重要方向。

5發(fā)展建議

雖然近些年國(guó)內(nèi)有關(guān)單位、科研院所在微特機(jī)的研究方面取得很大進(jìn)展，但同國(guó)外相比，差距然存在。面對(duì)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，我們只有加強(qiáng)研與合作，充分發(fā)揮創(chuàng)新能力，縮小與國(guó)外微特電機(jī)差距，才能在這一領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地為此，筆者認(rèn)為應(yīng)在以下幾方面努力：

（1）由于許多從事微特電機(jī)技術(shù)研究的單位，經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重缺乏，研究力量（人力、設(shè)備）十分單薄，無法保證基本的研究條件。建議有關(guān)部門在近期大幅度增加對(duì)微特電機(jī)技術(shù)研究和開發(fā)的投資力度。

（2） 建議有關(guān)部門迅速組織專門研究單位研究相關(guān)的微特電機(jī)用材料，如壓電陶瓷、摩擦材料、稀土材料、永磁材料等，并進(jìn)一步加強(qiáng)各研究單位與生產(chǎn)企業(yè)的交流與合作。

（3） 加強(qiáng)各研究單位之間的交流和溝通，集中精力，避免重復(fù)勞動(dòng)。

（4） 目前，一些高等學(xué)校和研究所的研究成果，無法轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力;有必要形成產(chǎn)、學(xué)、研一體化的微特電機(jī)產(chǎn)業(yè)化基地。

（5） 積極開展微特電機(jī)長(zhǎng)壽命、高可靠性設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造技術(shù)的研究。

（6） 在深入研究微特電機(jī)理論、制造技術(shù)和材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究，包括：微特電機(jī)各種性能試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)和環(huán)境（高溫、低溫、濕度和真空）試驗(yàn)等等。

（7） 發(fā)展新型微特電機(jī)技術(shù)，包括新型電機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)理，新的模態(tài)變換方法以及研制超微型電機(jī)、直線型電機(jī)和非接觸式電機(jī)等等。

審核編輯 ：李倩