如今,在實(shí)際應用中,微特電機已由過(guò)去簡(jiǎn)單的起動(dòng)控制、提供動(dòng)力的目的,發(fā)展到對其速度、位置、轉矩等的精確控制,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,幾乎都采用了電機技術(shù)、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)等相結合的機電一體化產(chǎn)品。電子化是微特電機發(fā)展的一個(gè)必然趨勢。

現代的微特電機技術(shù)綜合了電機、計算機、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。微特電機主要應用于以下幾個(gè)方面:

一、微特電機的應用領(lǐng)域

1-1：家電用微特電機

為了不斷滿(mǎn)足用戶(hù)要求和適應信息時(shí)代的需求,實(shí)現節能化、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,對為其配套的電機提出了高效率、低噪聲、低振動(dòng)、低價(jià)格、可調速和智能化的要求。家用電器用的微特電機占微特電機總量的8%:包括空調機、洗衣機、電冰箱、微波爐、電風(fēng)扇、吸塵器、脫排水機等。全世界每年需求量在4.5～5億臺(套) ,此類(lèi)電機功率不大,但是種類(lèi)繁多。家電用微特電機的發(fā)展趨勢有:

①永磁無(wú)刷電動(dòng)機將逐步替代單相異步電動(dòng)機;

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

③采用新結構、新工藝,提高生產(chǎn)效率。

1-2：信息處理設備用微特電機

信息處理設備用微特電機占29%:包括信息輸入、存儲、處理、輸出、傳導等環(huán)節,其中也包括通信設備。全世界每年需要15億臺(套) ,主要有永磁直流電機、無(wú)刷直流電機、步進(jìn)電機、微型同步電機等。微型計算機(PC機)年產(chǎn)量2000年約1億臺,2005年預計2億臺,為其配套的關(guān)鍵部件微電機需求量大,要求越來(lái)越高。這類(lèi)電機絕大部分是精密永磁無(wú)刷電動(dòng)機和精密步進(jìn)電機。

它們的特點(diǎn)和發(fā)展方向是:

(1)高投資類(lèi)產(chǎn)品

這類(lèi)電機對轉速的穩定度和轉軸的跳動(dòng)度要求非常之高,所以這類(lèi)電機是先進(jìn)制造技術(shù)和新興電力電子技術(shù)結合的高技術(shù)、高投資類(lèi)產(chǎn)品,國際上一般集中在大公司開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。

(2)小型化、片狀化

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

(3)高速化

隨著(zhù)計算機外設存儲密度的不斷提高,要求為其配套的電機轉速應在8000r/ min之上。

1-3：汽車(chē)用微特電機

汽車(chē)用微特電機占13%,包括起動(dòng)發(fā)電機、刮水器電機、空調及冷卻風(fēng)扇用的電機、電動(dòng)速度表電機及搖窗電機、門(mén)鎖電機等。2000年世界汽車(chē)產(chǎn)量約5400萬(wàn)輛,平均每輛汽車(chē)需用15臺電機,則全球需要8.1億臺。

汽車(chē)用微特電機技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)為:

(1)高效率、高出力、節能型

通過(guò)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(chē)電機和控制器實(shí)現智能化,使汽車(chē)運行在最佳狀態(tài),達到能耗最小。

1-4：音響設備用微特電機

音響設備用微特電機占18%,包括電唱機、錄音機、VCD視盤(pán)及DVD視盤(pán)等。全世界每年需求量在10億臺(套)以上。目前國內生產(chǎn)已占60 %左右,主要有印刷繞組電機、繞線(xiàn)盤(pán)式電機等。

1-5：視象設備用微特電機

視象設備用微特電機占7%,包括攝像機、照相機等。全世界每年需求量在3. 5～4億臺(套) ,此類(lèi)電機屬精密型,制造加工難度大,尤其進(jìn)入數字化后,對電機提出了更苛刻的要求。

1-6:工業(yè)電氣驅動(dòng)及控制用微特電機

這類(lèi)微特電機占2%,包括數控機床、機械手、機器人等。主要為交流伺服電機、功率步進(jìn)電機、寬調速直流電機、交流無(wú)刷電動(dòng)機等。此類(lèi)電機品種多,技術(shù)要求高,是國內需求量上升較快的一類(lèi)電機。

1-7:特種用途微特電機

該類(lèi)電機約占23%,包括宇航飛行、各種飛行器、自動(dòng)化武器裝備、醫療設備等。此類(lèi)電機多為特殊電機或新型電機,包括從原理上、結構上和運行方式上都不同于一般電磁原理的電機,主要為低速同步電動(dòng)機、諧波電動(dòng)機、有限轉角電動(dòng)機、超聲波電動(dòng)機、微波電動(dòng)機、電容式電動(dòng)機、靜電電動(dòng)機等。其中超聲波電動(dòng)機、微波電動(dòng)機、電容式電動(dòng)機、靜電電動(dòng)機是從原理、結構及運行上均不同于一般電機的特種電機。這些電機的出現、發(fā)展與電子技術(shù)的發(fā)展、控制技術(shù)的發(fā)展有著(zhù)密不可分的關(guān)系。

二、微特電機新產(chǎn)品技術(shù)

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和實(shí)際應用中新要求的不斷提出,出現了多種不同于傳統電磁型電機的微特電機。它們采用新穎的設計理念、方法、結構和原理。

2-1：永磁無(wú)刷電機

無(wú)刷電動(dòng)機是微特電機的發(fā)展方向,已在信息、家電、音視、交通工具等領(lǐng)域得到應用。隨著(zhù)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(wú)刷電動(dòng)機必將得到進(jìn)一步的發(fā)展,需求量將越來(lái)越大,同一般異步電動(dòng)機相比較,新型無(wú)刷電機耗電下降30%～35%,達到了高效、節能、小型、輕量的要求。無(wú)刷電機雖然成本價(jià)格高于異步電動(dòng)機,但由于耗電小、效率高,運行成本降低,從節能的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看,普及無(wú)刷電機必然是大勢所趨。世界各大公司已在無(wú)刷電機領(lǐng)域展開(kāi)了激烈的競爭。因此,隨著(zhù)元器件、材料性能的提高,無(wú)刷電機的性能也會(huì )大幅度提高,技術(shù)開(kāi)發(fā)的速度競爭將更突出。

2-2：超聲波電動(dòng)機

超聲電機(ultrasonicmotor, 縮寫(xiě)USM)是利用壓電材料的逆壓電效應,使彈性體(定子)在超聲頻段產(chǎn)生微觀(guān)機械振動(dòng)(振動(dòng)頻率在20kHz以上) ,通過(guò)定子和轉子(或動(dòng)子)之間的摩擦作用,將定子的微觀(guān)振動(dòng)轉換成轉子(或動(dòng)子)的宏觀(guān)的單方向轉動(dòng)(或直線(xiàn)運動(dòng)) 。它打破了由電磁效應獲得轉速和轉矩的傳統電機的概念,是微特電機技術(shù)發(fā)展中還有一項引人矚目的新技術(shù)。

與傳統電動(dòng)機相比,超聲波電動(dòng)機有一系列的優(yōu)點(diǎn):

(1)結構簡(jiǎn)單,它由兩個(gè)基本部件構成:振動(dòng)部件和運動(dòng)部件;

(2)單位體積轉矩大,是相同體積的傳統電動(dòng)機的10倍;

(3)低速性能好,可以將轉速調節到零,能在低速的情況下直接輸出大的轉矩;

(4)制動(dòng)轉矩大,不需要附加制動(dòng)器;

(5)機械時(shí)間常數小,快速性能好;

(6)沒(méi)有磁場(chǎng)和電場(chǎng),無(wú)電磁干擾和電磁噪聲等。

目前,超聲波電機在國外一些國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)機新產(chǎn)品已用于高級照相機、攝像機、光學(xué)儀器上。超聲波電動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展方向是進(jìn)一步提高效率。

超聲波電機采用了全新的原理和結構,不需要磁鐵和線(xiàn)圈,而是利用壓電材料的逆壓電效應和超聲振動(dòng)直接獲得運動(dòng)和力(矩)的。它打破了迄今為止由電磁效應獲得轉速和轉矩的電機的概念,是處于當前世界科學(xué)前沿的高新技術(shù)。由于超聲,電機具有電磁電機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、機器人、汽車(chē)、精密定位、醫療器械、微型機械等領(lǐng)域已得到成功的應用。

2-3：高速動(dòng)壓軸承電動(dòng)機

隨著(zhù)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(wú)刷電動(dòng)機轉速高達8000～50000r/ min。高速電機的軸承也將用動(dòng)壓軸承取代傳統的滑動(dòng)軸承以克服因高速而帶來(lái)的諸多技術(shù)問(wèn)題。

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

2-4：直線(xiàn)電機

隨著(zhù)自動(dòng)控制技術(shù)的高速發(fā)展,對各類(lèi)自動(dòng)控制系統的定位精度要求越來(lái)越高,傳統的旋轉電機再加上一套變換機構組成直線(xiàn)運動(dòng)裝置已遠不能滿(mǎn)足精度要求,直接直線(xiàn)驅動(dòng)是現代伺服驅動(dòng)技術(shù)研究的內容之一,直線(xiàn)電機是其中的關(guān)鍵技術(shù)。直線(xiàn)電機應用領(lǐng)域也是廣泛的,在需要直線(xiàn)運動(dòng)的裝置上,采用直接驅動(dòng)的直線(xiàn)電機將優(yōu)于旋轉電機。由于省去了運動(dòng)變換機構,可以提高控制精度。

2-5：超微電動(dòng)機

超微電動(dòng)機技術(shù)是利用近20年才發(fā)展起來(lái)的微電子機械系統技術(shù)(MEMS)的一種新型高技術(shù)領(lǐng)域,其特點(diǎn)是基于半導體材料硅的微加工技術(shù),用來(lái)制造尺寸從毫米到微米范圍內具有能量轉換及傳輸功能的器件。MEMS技術(shù)的出現,使傳統的機械制造技術(shù)產(chǎn)生了一次革命性的飛躍。超微電動(dòng)機有靜電原理超微電動(dòng)機和電磁型超微電動(dòng)機,由于電磁型超微電動(dòng)機比靜電型超微電動(dòng)機力矩大,轉換效率高、壽命長(cháng),它已在許多領(lǐng)域如內窺鏡、微機器人等中得到應用?，F在,美國、日本、俄羅斯、德國等投入大量人力、物力、財力開(kāi)展這項技術(shù)的研究和應用,并取得很大進(jìn)展,有的達到實(shí)用。如日本東芝公司研制出重量為40mg,轉速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,我國如上海交通大學(xué)也在研制直徑為1mm的超微電動(dòng)機?？梢灶A期,隨著(zhù)納米制造技術(shù)的發(fā)展和應用,超微電動(dòng)機也將得到很大的發(fā)展,而使其擁有更多的應用領(lǐng)域。

2-6：分子電機

隨著(zhù)MEMS的發(fā)展,出現了納米機電系(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(gè)的生物分子電機和納米尺度的無(wú)機系統集成起來(lái),構成了用分子電機驅動(dòng)的混合納米機械器件。該生物分子(直徑小于8nm,長(cháng)度為14nm)電機通過(guò)在活性系統中水解ATP(腺苷三磷酸) ,能夠產(chǎn)生最大為80～100pN·nm的轉矩,與當前能生產(chǎn)的納米機械結構的尺寸和力學(xué)常數相兼容。這一新技術(shù)有望在血管清理中發(fā)揮作用。

三、微特電機發(fā)展趨勢

進(jìn)入21世紀以后,世界經(jīng)濟可持續發(fā)展面臨著(zhù)兩大關(guān)鍵問(wèn)題————能源和環(huán)保,一方面人類(lèi)社會(huì )進(jìn)步,人們對生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高,環(huán)保意識越來(lái)越強,由于微特電機不僅在工礦企業(yè)內大量使用,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,所以電機的安全性直接危及人身財產(chǎn)安全;電機的振動(dòng)、噪聲、電磁干擾將成為污染環(huán)境的公害;電機的效率直接關(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)指標的要求越來(lái)越嚴格,已引起國內外電機行業(yè)的重視,從電機結構、工藝、材料,電子元器件、控制線(xiàn)路和電磁設計等多方面進(jìn)行了節能研究,微特電機新一輪產(chǎn)品在具有優(yōu)良的技術(shù)性能的基礎之上,更將以節能、環(huán)保為目的,貫徹有關(guān)國際標準,推動(dòng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)步,如新型電機沖片、繞組設計、通風(fēng)結構改進(jìn)和低損耗高導磁材料,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)等應用研究。

在經(jīng)濟全球化的趨勢加快,各國對節能、環(huán)保兩大問(wèn)題更加重視,國際間技術(shù)交流與合作加強,技術(shù)創(chuàng )新的步伐加快的前提下,微特電機技術(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)向專(zhuān)用化、多樣化、智能化發(fā)展。

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

四、發(fā)展建議

雖然近些年國內有關(guān)單位、科研院所在微特機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,我們只有加強研與合作,充分發(fā)揮創(chuàng )新能力,縮小與國外微特電機差距,才能在這一領(lǐng)域的國際競爭中立于不敗之地為此,筆者認為應在以下幾方面努力:

(1)由于許多從事微特電機技術(shù)研究的單位,經(jīng)費嚴重缺乏,研究力量(人力、設備)十分單薄,無(wú)法保證基本的研究條件。建議有關(guān)部門(mén)在近期大幅度增加對微特電機技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)的投資力度。

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

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

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

(5) 積極開(kāi)展微特電機長(cháng)壽命、高可靠性設計和先進(jìn)制造技術(shù)的研究。

(6) 在深入研究微特電機理論、制造技術(shù)和材料的基礎上,進(jìn)行大量的實(shí)驗研究,包括:微特電機各種性能試驗、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)展新型微特電機技術(shù),包括新型電機運動(dòng)機理,新的模態(tài)變換方法以及研制超微型電機、直線(xiàn)型電機和非接觸式電機等等。