一文深入剖析微特電機(jī)技術(shù)

1 微特電機(jī)的的簡介

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、遙測遙控、音像設(shè)備、自動化儀表及計算機(jī)外圍設(shè)備等,都大量使用了各種微特電機(jī)。

如今,在實際應(yīng)用中,微特電機(jī)已由過去簡單的起動控制、提供動力的目的,發(fā)展到對其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等的精確控制,特別是工業(yè)自動化、辦公自動化和家庭自動化方面,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)展的一個必然趨勢。

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)、計算機(jī)、控制理論、新材料等多項高新技術(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)信息時代的需求,實現(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,對為其配套的電機(jī)提出了高效率、低噪聲、低振動、低價格、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(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)展趨勢有:

①永磁無刷電動機(jī)將逐步替代單相異步電動機(jī);

②進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計、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、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(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。微型計算機(jī)(PC機(jī))年產(chǎn)量2000年約1億臺,2005年預(yù)計2億臺,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機(jī)和精密步進(jìn)電機(jī)。

它們的特點和發(fā)展方向是:

(1)高投資類產(chǎn)品

這類電機(jī)對轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度和轉(zhuǎn)軸的跳動度要求非常之高,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

隨著計算機(jī)外設(shè)存儲密度的不斷提高,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臺電機(jī),則全球需要8.1億臺。

汽車用微特電機(jī)技術(shù)發(fā)展重點為:

(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,提高其運行效率。

(2)智能化

對汽車電機(jī)和控制器實現(xiàn)智能化,使汽車運行在最佳狀態(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(套)以上。目前國內(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(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,對電機(jī)提出了更苛刻的要求。

2.6 工業(yè)電氣驅(qū)動及控制用微特電機(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)、交流無刷電動機(jī)等。此類電機(jī)品種多,技術(shù)要求高,是國內(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機(jī)、諧波電動機(jī)、有限轉(zhuǎn)角電動機(jī)、超聲波電動機(jī)、微波電動機(jī)、電容式電動機(jī)、靜電電動機(jī)等。其中超聲波電動機(jī)、微波電動機(jī)、電容式電動機(jī)、靜電電動機(jī)是從原理、結(jié)構(gòu)及運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)計理念、方法、結(jié)構(gòu)和原理。

3.1　永磁無刷電機(jī)

無刷電動機(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,價格不斷降低,無刷電動機(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)雖然成本價格高于異步電動機(jī),但由于耗電小、效率高,運行成本降低,從節(jié)能的觀點來看,普及無刷電機(jī)必然是大勢所趨。世界各大公司已在無刷電機(jī)領(lǐng)域展開了激烈的競爭。因此,隨著元器件、材料性能的提高,無刷電機(jī)的性能也會大幅度提高,技術(shù)開發(fā)的速度競爭將更突出。

3.2　超聲波電動機(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(振動頻率在20kHz以上) ,通過定子和轉(zhuǎn)子(或動子)之間的摩擦作用,將定子的微觀振動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(或動子)的宏觀的單方向轉(zhuǎn)動(或直線運動) 。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)展中還有一項引人矚目的新技術(shù)。

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

(1)結(jié)構(gòu)簡單,它由兩個基本部件構(gòu)成:振動部件和運動部件;

(2)單位體積轉(zhuǎn)矩大,是相同體積的傳統(tǒng)電動機(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)制動轉(zhuǎn)矩大,不需要附加制動器;

(5)機(jī)械時間常數(shù)小,快速性能好;

(6)沒有磁場和電場,無電磁干擾和電磁噪聲等。

目前,超聲波電機(jī)在國外一些國家如日本的很多公司已取得商業(yè)實用化。佳能、松下、日立等公司的超聲波電動機(jī)新產(chǎn)品已用于高級照相機(jī)、攝像機(jī)、光學(xué)儀器上。超聲波電動機(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)和超聲振動直接獲得運動和力(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,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　高速動壓軸承電動機(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機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)8000～50000r/ min。高速電機(jī)的軸承也將用動壓軸承取代傳統(tǒng)的滑動軸承以克服因高速而帶來的諸多技術(shù)問題。

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

3.4　直線電機(jī)

隨著自動控制技術(shù)的高速發(fā)展,對各類自動控制系統(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)組成直線運動裝置已遠(yuǎn)不能滿足精度要求,直接直線驅(qū)動是現(xiàn)代伺服驅(qū)動技術(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,在需要直線運動的裝置上,采用直接驅(qū)動的直線電機(jī)將優(yōu)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)。由于省去了運動變換機(jī)構(gòu),可以提高控制精度。

3.5　超微電動機(jī)

超微電動機(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。超微電動機(jī)有靜電原理超微電動機(jī)和電磁型超微電動機(jī),由于電磁型超微電動機(jī)比靜電型超微電動機(jī)力矩大,轉(zhuǎn)換效率高、壽命長,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?，F(xiàn)在,美國、日本、俄羅斯、德國等投入大量人力、物力、財力開展這項技術(shù)的研究和應(yīng)用,并取得很大進(jìn)展,有的達(dá)到實用。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機(jī),我國如上海交通大學(xué)也在研制直徑為1mm的超微電動機(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Cornell 大學(xué)的RickyK. Soong等把單個的生物分子電機(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)動的混合納米機(jī)械器件。該生物分子(直徑小于8nm,長度為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

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,一方面人類社會進(jìn)步,人們對生活質(zhì)量的要求越來越高,環(huán)保意識越來越強(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產(chǎn)安全;電機(jī)的振動、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,所以國際上對這些技術(shù)指標(biāo)的要求越來越嚴(yán)格,已引起國內(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)國際標(biāo)準(zhǔn),推動相關(guān)技術(shù)進(jìn)步,如新型電機(jī)沖片、繞組設(shè)計、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)全球化的趨勢加快,各國對節(jié)能、環(huán)保兩大問題更加重視,國際間技術(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、低成本、價格發(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)展一個重要方向。

5　發(fā)展建議

雖然近些年國內(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,但同國外相比,差距然存在。面對激烈的國際競爭,我們只有加強(qiáng)研與合作,充分發(fā)揮創(chuàng)新能力,縮小與國外微特電機(jī)差距,才能在這一領(lǐng)域的國際競爭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。

(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)長壽命、高可靠性設(shè)計和先進(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)行大量的實驗研究,包括:微特電機(jī)各種性能試驗、壽命試驗、可靠性試驗和環(huán)境(高溫、低溫、濕度和真空)試驗等等。

(7) 發(fā)展新型微特電機(jī)技術(shù),包括新型電機(jī)運動機(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。

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審核編輯：湯梓紅

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