1 微特電機的的簡介

微特電機是指原理、結(jié)構(gòu)、性能、作用等與常規(guī)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(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)中得到廣泛的應用，如火炮控制、導彈制導、飛機自動駕駛、數(shù)控機床、無梭織機控制、工業(yè)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(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，幾乎都采用了電機技術、微電子技術和電力電子技術等相結(jié)合的機電一體化產(chǎn)品。電子化是微特電機發(fā)展的一個必然趨勢。

2微特電機的應用領域

現(xiàn)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(yè)走向日常生活。因此，微特電機技術的發(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(xiàn)節(jié)能化、舒適化、網(wǎng)絡化、智能化，甚至網(wǎng)絡家電（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、低價格、可調(diào)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(diào)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(fā)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(yōu)化設計、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(jié)，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(chǎn)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(fā)展方向是：

（1）高投資類產(chǎn)品

這類電機對轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度和轉(zhuǎn)軸的跳動度要求非常之高，所以這類電機是先進制造技術和新興電力電子技術結(jié)合的高技術、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(zhuǎn)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(fā)電機、刮水器電機、空調(diào)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(chǎn)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(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

對汽車電機和控制器實現(xiàn)智能化，使汽車運行在最佳狀態(tài)，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(nèi)生產(chǎn)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(shù)字化后，對電機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

這類微特電機占2%，包括數(shù)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(diào)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(nèi)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(yī)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)及運行上均不同于一般電機的特種電機。這些電機的出現(xiàn)、發(fā)展與電子技術的發(fā)展、控制技術的發(fā)展有著密不可分的關系。

3微特電機新產(chǎn)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(xiàn)了多種不同于傳統(tǒng)電磁型電機的微特電機。它們采用新穎的設計理念、方法、結(jié)構(gòu)和原理。

3.1永磁無刷電機

無刷電動機是微特電機的發(fā)展方向，已在信息、家電、音視、交通工具等領域得到應用。隨著永磁材料和電力電子技術的快速發(fā)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(fā)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(jié)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(jié)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(fā)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(chǎn)生微觀機械振動（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獲得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的傳統(tǒng)電機的概念，是微特電機技術發(fā)展中還有一項引人矚目的新技術。

與傳統(tǒng)電動機相比，超聲波電動機有一系列的優(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新產(chǎn)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(fā)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(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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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(fā)明與發(fā)展僅有20年的歷史，但在宇航、機器人、汽車、精密定位、醫(yī)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(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轉(zhuǎn)速高達8000～50000r/ min。高速電機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(fā)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(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)電機再加上一套變換機構(gòu)組成直線運動裝置已遠不能滿足精度要求，直接直線驅(qū)動是現(xiàn)代伺服驅(qū)動技術研究的內(nèi)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(qū)動的直線電機將優(yōu)于旋轉(zhuǎn)電機。由于省去了運動變換機構(gòu)，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(fā)展起來的微電子機械系統(tǒng)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(nèi)具有能量轉(zhuǎn)換及傳輸功能的器件。MEMS技術的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)的機械制造技術產(chǎn)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(zhuǎn)換效率高、壽命長，它已在許多領域如內(nèi)窺鏡、微機器人等中得到應用。現(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(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，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(fā)展和應用，超微電動機也將得到很大的發(fā)展，而使其擁有更多的應用領域。

3.6分子電機

隨著MEMS的發(fā)展，出現(xiàn)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(yī)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(tǒng)集成起來，構(gòu)成了用分子電機驅(qū)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(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，與當前能生產(chǎn)的納米機械結(jié)構(gòu)的尺寸和力學常數(shù)相兼容。這一新技術有望在血管清理中發(fā)揮作用。

4微特電機發(fā)展趨勢

進入21世紀以后，世界經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展面臨著兩大關鍵問題————能源和環(huán)保，一方面人類社會進步，人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，環(huán)保意識越來越強，由于微特電機不僅在工礦企業(yè)內(nèi)大量使用，而且在商業(yè)、服務行業(yè)也大量使用，特別是更多的產(chǎn)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(chǎn)安全;電機的振動、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(nèi)外電機行業(yè)的重視，從電機結(jié)構(gòu)、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(jié)能研究，微特電機新一輪產(chǎn)品在具有優(yōu)良的技術性能的基礎之上，更將以節(jié)能、環(huán)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(jié)構(gòu)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(jīng)濟全球化的趨勢加快，各國對節(jié)能、環(huán)保兩大問題更加重視，國際間技術交流與合作加強，技術創(chuàng)新的步伐加快的前提下，微特電機技術的發(fā)展趨勢是：

（1）采用高新技術，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⒍鄻踊⒅悄芑l(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(huán)境的變化，傳統(tǒng)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(fā)具有非電磁原理的微特電機已成為電機發(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(fā)揮創(chuàng)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(jīng)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(fā)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(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。

（4） 目前，一些高等學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、研一體化的微特電機產(chǎn)業(yè)化基地。

（5） 積極開展微特電機長壽命、高可靠性設計和先進制造技術的研究。

（6） 在深入研究微特電機理論、制造技術和材料的基礎上，進行大量的實驗研究，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，包括新型電機運動機理，新的模態(tài)變換方法以及研制超微型電機、直線型電機和非接觸式電機等等。

審核編輯 ：李倩