一文深入剖析微特電機技術

1 微特電機的的簡介

微特電機是指原理、結構、性能、作用等與常規電機不同,并且體積和輸出功率都很小的電機。一般地,微特電機的外徑不大于130mm,功率在數百毫瓦和數百瓦之間。在軍事、民用各種現代化裝備及其控制系統中得到廣泛的應用,如火炮控制、導彈制導、飛機自動駕駛、數控機床、無梭織機控制、工業縫紉機控制、遙測遙控、音像設備、自動化儀表及計算機外圍設備等,都大量使用了各種微特電機。

如今,在實際應用中,微特電機已由過去簡單的起動控制、提供動力的目的,發展到對其速度、位置、轉矩等的精確控制,特別是工業自動化、辦公自動化和家庭自動化方面,幾乎都采用了電機技術、微電子技術和電力電子技術等相結合的機電一體化產品。電子化是微特電機發展的一個必然趨勢。

2　微特電機的應用領域

現代的微特電機技術綜合了電機、計算機、控制理論、新材料等多項高新技術,正從軍事、工業走向日常生活。因此,微特電機技術的發展要與支柱產業和高新產業的發展需求相適應。微特電機主要應用于以下幾個方面:

2.1　家電用微特電機

為了不斷滿足用戶要求和適應信息時代的需求,實現節能化、舒適化、網絡化、智能化,甚至網絡家電(信息家電) ,家電的更新換代周期很快,對為其配套的電機提出了高效率、低噪聲、低振動、低價格、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) ,此類電機功率不大,但是種類繁多。家電用微特電機的發展趨勢有:

①永磁無刷電動機將逐步替代單相異步電動機;

②進行優化設計、提高產品的質量和效率;

③采用新結構、新工藝,提高生產效率。

2.2　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、無刷直流電機、步進電機、微型同步電機等。微型計算機(PC機)年產量2000年約1億臺,2005年預計2億臺,為其配套的關鍵部件微電機需求量大,要求越來越高。這類電機絕大部分是精密永磁無刷電動機和精密步進電機。

它們的特點和發展方向是:

(1)高投資類產品

這類電機對轉速的穩定度和轉軸的跳動度要求非常之高,所以這類電機是先進制造技術和新興電力電子技術結合的高技術、高投資類產品,國際上一般集中在大公司開發和生產。

(2)小型化、片狀化

為了滿足信息產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。

2.3　汽車用微特電機

汽車用微特電機占13%,包括起動發電機、刮水器電機、空調及冷卻風扇用的電機、電動速度表電機及搖窗電機、門鎖電機等。2000年世界汽車產量約5400萬輛,平均每輛汽車需用15臺電機,則全球需要8.1億臺。

汽車用微特電機技術發展重點為:

(1)高效率、高出力、節能型

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

對汽車電機和控制器實現智能化,使汽車運行在最佳狀態,達到能耗最小。

2.4　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視盤及DVD視盤等。全世界每年需求量在10億臺(套)以上。目前國內生產已占60 %左右,主要有印刷繞組電機、繞線盤式電機等。

2.5　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) ,此類電機屬精密型,制造加工難度大,尤其進入數字化后,對電機提出了更苛刻的要求。

2.6 工業電氣驅動及控制用微特電機

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

2.7　特種用途微特電機

該類電機約占23%,包括宇航飛行、各種飛行器、自動化武器裝備、醫療設備等。此類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機、諧波電動機、有限轉角電動機、超聲波電動機、微波電動機、電容式電動機、靜電電動機等。其中超聲波電動機、微波電動機、電容式電動機、靜電電動機是從原理、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、發展與電子技術的發展、控制技術的發展有著密不可分的關系。

3　微特電機新產品技術

隨著科學技術的不斷進步和實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。

3.1　永磁無刷電機

無刷電動機是微特電機的發展方向,已在信息、家電、音視、交通工具等領域得到應用。隨著永磁材料和電力電子技術的快速發展,性能不斷提高,價格不斷降低,無刷電動機必將得到進一步的發展,需求量將越來越大,同一般異步電動機相比較,新型無刷電機耗電下降30%～35%,達到了高效、節能、小型、輕量的要求。無刷電機雖然成本價格高于異步電動機,但由于耗電小、效率高,運行成本降低,從節能的觀點來看,普及無刷電機必然是大勢所趨。世界各大公司已在無刷電機領域展開了激烈的競爭。因此,隨著元器件、材料性能的提高,無刷電機的性能也會大幅度提高,技術開發的速度競爭將更突出。

3.2　超聲波電動機

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

與傳統電動機相比,超聲波電動機有一系列的優點:

(1)結構簡單,它由兩個基本部件構成:振動部件和運動部件;

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

(5)機械時間常數小,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,超聲波電機在國外一些國家如日本的很多公司已取得商業實用化。佳能、松下、日立等公司的超聲波電動機新產品已用于高級照相機、攝像機、光學儀器上。超聲波電動機技術的發展方向是進一步提高效率。

超聲波電機采用了全新的原理和結構,不需要磁鐵和線圈,而是利用壓電材料的逆壓電效應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獲得轉速和轉矩的電機的概念,是處于當前世界科學前沿的高新技術。由于超聲,電機具有電磁電機所不具備的許多特點,盡管它的發明與發展僅有20年的歷史,但在宇航、機器人、汽車、精密定位、醫療器械、微型機械等領域已得到成功的應用。

3.3　高速動壓軸承電動機

隨著信息產品向高效高密度和微輕薄方向發展,為其配套的精密永磁無刷電動機轉速高達8000～50000r/ min。高速電機的軸承也將用動壓軸承取代傳統的滑動軸承以克服因高速而帶來的諸多技術問題。

動壓軸承與滾珠、滑動軸承相比較,有許多優點;可以抑制不規則的軸的擺動,耐沖擊性提高,壽命長,噪聲小等。動壓軸承電動機有流體和空氣兩種型式,一般轉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目前還存在一些有待進一步解決的技術問題,但是,高速動壓軸承電動機是發展方向已得到普遍的確認。

3.4　直線電機

隨著自動控制技術的高速發展,對各類自動控制系統的定位精度要求越來越高,傳統的旋轉電機再加上一套變換機構組成直線運動裝置已遠不能滿足精度要求,直接直線驅動是現代伺服驅動技術研究的內容之一,直線電機是其中的關鍵技術。直線電機應用領域也是廣泛的,在需要直線運動的裝置上,采用直接驅動的直線電機將優于旋轉電機。由于省去了運動變換機構,可以提高控制精度。

3.5　超微電動機

超微電動機技術是利用近20年才發展起來的微電子機械系統技術(MEMS)的一種新型高技術領域,其特點是基于半導體材料硅的微加工技術,用來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技術的出現,使傳統的機械制造技術產生了一次革命性的飛躍。超微電動機有靜電原理超微電動機和電磁型超微電動機,由于電磁型超微電動機比靜電型超微電動機力矩大,轉換效率高、壽命長,它已在許多領域如內窺鏡、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、財力開展這項技術的研究和應用,并取得很大進展,有的達到實用。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機,我國如上海交通大學也在研制直徑為1mm的超微電動機?？梢灶A期,隨著納米制造技術的發展和應用,超微電動機也將得到很大的發展,而使其擁有更多的應用領域。

3.6　分子電機

隨著MEMS的發展,出現了納米機電系(na2noelectromechanicalsystems,NEMS),特征尺寸可能從幾百到幾個納米,其中有些在生物醫學領域中有重要潛在用途。美國Cornell 大學的RickyK. Soong等把單個的生物分子電機和納米尺度的無機系統集成起來,構成了用分子電機驅動的混合納米機械器件。該生物分子(直徑小于8nm,長度為14nm)電機通過在活性系統中水解ATP(腺苷三磷酸) ,能夠產生最大為80～100pN·nm的轉矩,與當前能生產的納米機械結構的尺寸和力學常數相兼容。這一新技術有望在血管清理中發揮作用。

4　微特電機發展趨勢

進入21世紀以后,世界經濟可持續發展面臨著兩大關鍵問題————能源和環保,一方面人類社會進步,人們對生活質量的要求越來越高,環保意識越來越強,由于微特電機不僅在工礦企業內大量使用,而且在商業、服務行業也大量使用,特別是更多的產品進入了家庭生活之中,所以電機的安全性直接危及人身財產安全;電機的振動、噪聲、電磁干擾將成為污染環境的公害;電機的效率直接關系到能源消耗與有害氣體的排放,所以國際上對這些技術指標的要求越來越嚴格,已引起國內外電機行業的重視,從電機結構、工藝、材料,電子元器件、控制線路和電磁設計等多方面進行了節能研究,微特電機新一輪產品在具有優良的技術性能的基礎之上,更將以節能、環保為目的,貫徹有關國際標準,推動相關技術進步,如新型電機沖片、繞組設計、通風結構改進和低損耗高導磁材料,稀土永磁材料,降噪減振技術,電力電子技術,控制技術,降低電磁干擾技術等應用研究。

在經濟全球化的趨勢加快,各國對節能、環保兩大問題更加重視,國際間技術交流與合作加強,技術創新的步伐加快的前提下,微特電機技術的發展趨勢是:

(1)采用高新技術,向電子化方向發展;

(2)高效率、節能化與綠色化發展;

(3)向高可靠性、電磁兼容性發展;

(4)向低噪聲、低振動、低成本、價格發展;

(5)向專用化、多樣化、智能化發展。

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刷化、無鐵芯、永磁化方向展,尤其值得關注的是隨著微特電機應用領域的大,環境的變化,傳統電磁原理電機已不能完全滿要求。用相關學科的新成果,包括新原理、新材料開發具有非電磁原理的微特電機已成為電機發展一個重要方向。

5　發展建議

雖然近些年國內有關單位、科研院所在微特機的研究方面取得很大進展,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,充分發揮創新能力,縮小與國外微特電機差距,才能在這一領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研究的單位,經費嚴重缺乏,研究力量(人力、設備)十分單薄,無法保證基本的研究條件。建議有關部門在近期大幅度增加對微特電機技術研究和開發的投資力度。

(2) 建議有關部門迅速組織專門研究單位研究相關的微特電機用材料,如壓電陶瓷、摩擦材料、稀土材料、永磁材料等,并進一步加強各研究單位與生產企業的交流與合作。

(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。