一文深入剖析微特电机技术

1 微特电机的的简介

微特电机是指原理、结构、性能、作用等与常规电机不同,并且体积和输出功率都很小的电机。一般地,微特电机的外径不大于130mm,功率在数百毫瓦和数百瓦之间。在军事、民用各种现代化装备及其控制系统中得到广泛的应用,如火炮控制、导弹制导、飞机自动驾驶、数控机床、无梭织机控制、工业缝纫机控制、遥测遥控、音像设备、自动化仪表及计算机外围设备等,都大量使用了各种微特电机。

如今,在实际应用中,微特电机已由过去简单的起动控制、提供动力的目的,发展到对其速度、位置、转矩等的精确控制,特别是工业自动化、办公自动化和家庭自动化方面,几乎都采用了电机技术、微电子技术和电力电子技术等相结合的机电一体化产品。电子化是微特电机发展的一个必然趋势。

2　微特电机的应用领域

现代的微特电机技术综合了电机、计算机、控制理论、新材料等多项高新技术,正从军事、工业走向日常生活。因此,微特电机技术的发展要与支柱产业和高新产业的发展需求相适应。微特电机主要应用于以下几个方面:

2.1　家电用微特电机

为了不断满足用户要求和适应信息时代的需求,实现节能化、舒适化、网络化、智能化,甚至网络家电(信息家电) ,家电的更新换代周期很快,对为其配套的电机提出了高效率、低噪声、低振动、低价格、可调速和智能化的要求。家用电器用的微特电机占微特电机总量的8%:包括空调机、洗衣机、电冰箱、微波炉、电风扇、吸尘器、脱排水机等。全世界每年需求量在4.5～5亿台(套) ,此类电机功率不大,但是种类繁多。家电用微特电机的发展趋势有:

①永磁无刷电动机将逐步替代单相异步电动机;

②进行优化设计、提高产品的质量和效率;

③采用新结构、新工艺,提高生产效率。

2.2　信息处理设备用微特电机

信息处理设备用微特电机占29%:包括信息输入、存储、处理、输出、传导等环节,其中也包括通信设备。全世界每年需要15亿台(套) ,主要有永磁直流电机、无刷直流电机、步进电机、微型同步电机等。微型计算机(PC机)年产量2000年约1亿台,2005年预计2亿台,为其配套的关键部件微电机需求量大,要求越来越高。这类电机绝大部分是精密永磁无刷电动机和精密步进电机。

它们的特点和发展方向是:

(1)高投资类产品

这类电机对转速的稳定度和转轴的跳动度要求非常之高,所以这类电机是先进制造技术和新兴电力电子技术结合的高技术、高投资类产品,国际上一般集中在大公司开发和生产。

(2)小型化、片状化

为了满足信息产品小型化和随身携带的需求,对其配套电机提出了小型化,片状化的要求。

(3)高速化

随着计算机外设存储密度的不断提高,要求为其配套的电机转速应在8000r/ min之上。

2.3　汽车用微特电机

汽车用微特电机占13%,包括起动发电机、刮水器电机、空调及冷却风扇用的电机、电动速度表电机及摇窗电机、门锁电机等。2000年世界汽车产量约5400万辆,平均每辆汽车需用15台电机,则全球需要8.1亿台。

汽车用微特电机技术发展重点为:

(1)高效率、高出力、节能型

通过高速化、高性能磁性材料选用、高效率冷却手段和提高控制器效率等措施,提高其运行效率。

(2)智能化

对汽车电机和控制器实现智能化,使汽车运行在最佳状态,达到能耗最小。

2.4　音响设备用微特电机

音响设备用微特电机占18%,包括电唱机、录音机、VCD视盘及DVD视盘等。全世界每年需求量在10亿台(套)以上。目前国内生产已占60 %左右,主要有印刷绕组电机、绕线盘式电机等。

2.5　视象设备用微特电机

视象设备用微特电机占7%,包括摄像机、照相机等。全世界每年需求量在3. 5～4亿台(套) ,此类电机属精密型,制造加工难度大,尤其进入数字化后,对电机提出了更苛刻的要求。

2.6 工业电气驱动及控制用微特电机

这类微特电机占2%,包括数控机床、机械手、机器人等。主要为交流伺服电机、功率步进电机、宽调速直流电机、交流无刷电动机等。此类电机品种多,技术要求高,是国内需求量上升较快的一类电机。

2.7　特种用途微特电机

该类电机约占23%,包括宇航飞行、各种飞行器、自动化武器装备、医疗设备等。此类电机多为特殊电机或新型电机,包括从原理上、结构上和运行方式上都不同于一般电磁原理的电机,主要为低速同步电动机、谐波电动机、有限转角电动机、超声波电动机、微波电动机、电容式电动机、静电电动机等。其中超声波电动机、微波电动机、电容式电动机、静电电动机是从原理、结构及运行上均不同于一般电机的特种电机。这些电机的出现、发展与电子技术的发展、控制技术的发展有着密不可分的关系。

3　微特电机新产品技术

随着科学技术的不断进步和实际应用中新要求的不断提出,出现了多种不同于传统电磁型电机的微特电机。它们采用新颖的设计理念、方法、结构和原理。

3.1　永磁无刷电机

无刷电动机是微特电机的发展方向,已在信息、家电、音视、交通工具等领域得到应用。随着永磁材料和电力电子技术的快速发展,性能不断提高,价格不断降低,无刷电动机必将得到进一步的发展,需求量将越来越大,同一般异步电动机相比较,新型无刷电机耗电下降30%～35%,达到了高效、节能、小型、轻量的要求。无刷电机虽然成本价格高于异步电动机,但由于耗电小、效率高,运行成本降低,从节能的观点来看,普及无刷电机必然是大势所趋。世界各大公司已在无刷电机领域展开了激烈的竞争。因此,随着元器件、材料性能的提高,无刷电机的性能也会大幅度提高,技术开发的速度竞争将更突出。

3.2　超声波电动机

超声电机(ultrasonicmotor, 缩写USM)是利用压电材料的逆压电效应,使弹性体(定子)在超声频段产生微观机械振动(振动频率在20kHz以上) ,通过定子和转子(或动子)之间的摩擦作用,将定子的微观振动转换成转子(或动子)的宏观的单方向转动(或直线运动) 。它打破了由电磁效应获得转速和转矩的传统电机的概念,是微特电机技术发展中还有一项引人瞩目的新技术。

与传统电动机相比,超声波电动机有一系列的优点:

(1)结构简单,它由两个基本部件构成:振动部件和运动部件;

(2)单位体积转矩大,是相同体积的传统电动机的10倍;

(3)低速性能好,可以将转速调节到零,能在低速的情况下直接输出大的转矩;

(4)制动转矩大,不需要附加制动器;

(5)机械时间常数小,快速性能好;

(6)没有磁场和电场,无电磁干扰和电磁噪声等。

目前,超声波电机在国外一些国家如日本的很多公司已取得商业实用化。佳能、松下、日立等公司的超声波电动机新产品已用于高级照相机、摄像机、光学仪器上。超声波电动机技术的发展方向是进一步提高效率。

超声波电机采用了全新的原理和结构,不需要磁铁和线圈,而是利用压电材料的逆压电效应和超声振动直接获得运动和力(矩)的。它打破了迄今为止由电磁效应获得转速和转矩的电机的概念,是处于当前世界科学前沿的高新技术。由于超声,电机具有电磁电机所不具备的许多特点,尽管它的发明与发展仅有20年的历史,但在宇航、机器人、汽车、精密定位、医疗器械、微型机械等领域已得到成功的应用。

3.3　高速动压轴承电动机

随着信息产品向高效高密度和微轻薄方向发展,为其配套的精密永磁无刷电动机转速高达8000～50000r/ min。高速电机的轴承也将用动压轴承取代传统的滑动轴承以克服因高速而带来的诸多技术问题。

动压轴承与滚珠、滑动轴承相比较,有许多优点;可以抑制不规则的轴的摆动,耐冲击性提高,寿命长,噪声小等。动压轴承电动机有流体和空气两种型式,一般转速较低用流体动压轴承,高速用空气动压轴承。虽然动压轴承电动机目前还存在一些有待进一步解决的技术问题,但是,高速动压轴承电动机是发展方向已得到普遍的确认。

3.4　直线电机

随着自动控制技术的高速发展,对各类自动控制系统的定位精度要求越来越高,传统的旋转电机再加上一套变换机构组成直线运动装置已远不能满足精度要求,直接直线驱动是现代伺服驱动技术研究的内容之一,直线电机是其中的关键技术。直线电机应用领域也是广泛的,在需要直线运动的装置上,采用直接驱动的直线电机将优于旋转电机。由于省去了运动变换机构,可以提高控制精度。

3.5　超微电动机

超微电动机技术是利用近20年才发展起来的微电子机械系统技术(MEMS)的一种新型高技术领域,其特点是基于半导体材料硅的微加工技术,用来制造尺寸从毫米到微米范围内具有能量转换及传输功能的器件。MEMS技术的出现,使传统的机械制造技术产生了一次革命性的飞跃。超微电动机有静电原理超微电动机和电磁型超微电动机,由于电磁型超微电动机比静电型超微电动机力矩大,转换效率高、寿命长,它已在许多领域如内窥镜、微机器人等中得到应用。现在,美国、日本、俄罗斯、德国等投入大量人力、物力、财力开展这项技术的研究和应用,并取得很大进展,有的达到实用。如日本东芝公司研制出重量为40mg,转速60～1000r/ min,电压1.7V,直径仅为0. 8mm的世界上最小的超微电动机,我国如上海交通大学也在研制直径为1mm的超微电动机。可以预期,随着纳米制造技术的发展和应用,超微电动机也将得到很大的发展,而使其拥有更多的应用领域。

3.6　分子电机

随着MEMS的发展,出现了纳米机电系(na2noelectromechanicalsystems,NEMS),特征尺寸可能从几百到几个纳米,其中有些在生物医学领域中有重要潜在用途。美国Cornell 大学的RickyK. Soong等把单个的生物分子电机和纳米尺度的无机系统集成起来,构成了用分子电机驱动的混合纳米机械器件。该生物分子(直径小于8nm,长度为14nm)电机通过在活性系统中水解ATP(腺苷三磷酸) ,能够产生最大为80～100pN·nm的转矩,与当前能生产的纳米机械结构的尺寸和力学常数相兼容。这一新技术有望在血管清理中发挥作用。

4　微特电机发展趋势

进入21世纪以后,世界经济可持续发展面临着两大关键问题————能源和环保,一方面人类社会进步,人们对生活质量的要求越来越高,环保意识越来越强,由于微特电机不仅在工矿企业内大量使用,而且在商业、服务行业也大量使用,特别是更多的产品进入了家庭生活之中,所以电机的安全性直接危及人身财产安全;电机的振动、噪声、电磁干扰将成为污染环境的公害;电机的效率直接关系到能源消耗与有害气体的排放,所以国际上对这些技术指标的要求越来越严格,已引起国内外电机行业的重视,从电机结构、工艺、材料,电子元器件、控制线路和电磁设计等多方面进行了节能研究,微特电机新一轮产品在具有优良的技术性能的基础之上,更将以节能、环保为目的,贯彻有关国际标准,推动相关技术进步,如新型电机冲片、绕组设计、通风结构改进和低损耗高导磁材料,稀土永磁材料,降噪减振技术,电力电子技术,控制技术,降低电磁干扰技术等应用研究。

在经济全球化的趋势加快,各国对节能、环保两大问题更加重视,国际间技术交流与合作加强,技术创新的步伐加快的前提下,微特电机技术的发展趋势是:

(1)采用高新技术,向电子化方向发展;

(2)高效率、节能化与绿色化发展;

(3)向高可靠性、电磁兼容性发展;

(4)向低噪声、低振动、低成本、价格发展;

(5)向专用化、多样化、智能化发展。

另外,微特电机正在向模块化、组合化、智能化机电一体化方向和无刷化、无铁芯、永磁化方向展,尤其值得关注的是随着微特电机应用领域的大,环境的变化,传统电磁原理电机已不能完全满要求。用相关学科的新成果,包括新原理、新材料开发具有非电磁原理的微特电机已成为电机发展一个重要方向。

5　发展建议

虽然近些年国内有关单位、科研院所在微特机的研究方面取得很大进展,但同国外相比,差距然存在。面对激烈的国际竞争,我们只有加强研与合作,充分发挥创新能力,缩小与国外微特电机差距,才能在这一领域的国际竞争中立于不败之地为此,笔者认为应在以下几方面努力:

(1)由于许多从事微特电机技术研究的单位,经费严重缺乏,研究力量(人力、设备)十分单薄,无法保证基本的研究条件。建议有关部门在近期大幅度增加对微特电机技术研究和开发的投资力度。

(2) 建议有关部门迅速组织专门研究单位研究相关的微特电机用材料,如压电陶瓷、摩擦材料、稀土材料、永磁材料等,并进一步加强各研究单位与生产企业的交流与合作。

(3) 加强各研究单位之间的交流和沟通,集中精力,避免重复劳动。

(4) 目前,一些高等学校和研究所的研究成果,无法转化为生产力;有必要形成产、学、研一体化的微特电机产业化基地。

(5) 积极开展微特电机长寿命、高可靠性设计和先进制造技术的研究。

(6) 在深入研究微特电机理论、制造技术和材料的基础上,进行大量的实验研究,包括:微特电机各种性能试验、寿命试验、可靠性试验和环境(高温、低温、湿度和真空)试验等等。

(7) 发展新型微特电机技术,包括新型电机运动机理,新的模态变换方法以及研制超微型电机、直线型电机和非接触式电机等等。

 

审核编辑：汤梓红