李兴根(浙江大学杭州  310027)

  【摘  要】综述了有关微电机产品的生产、设计、新材料应用和发展的国外****技术动态。

1  微电机产品向短小轻薄化方向发展

    电机的短小轻薄化是为了满足其应用机器的小型化、薄型化的要求。以软盘驱动器(FDD)为例，由于电机要装入个人微机内，因此缩小电机的体积、厚度显得十分重要。从80年代初的203．2～133．35mm(8～5．25英寸)，直至现在的88．9mm(3．5英寸)FDD，充分说明了FDD的小型化、轻量化动向。为了实现机器的小型化、轻量化、薄型化，相对要解决的技术难题集中到三个方面：①主轴电机等的薄型化。②紧固结构的小型化、薄型化。③电路板的简化。其中第一、二两条与电机直接有关。关于电路板，正在力图使电机驱动系统、读写系统等各种机能由相应的专用IC完成，如果再进一步LsI化，就可以大幅度地小型化。但在设计机器时，电机基本上总要占有一定的空间，因此与电路相比，电机在小型化方面就不那么容易，可见机器的小型化关键在于电机。

    多年来，国外厂商对缩小电动机的体积一直十分重视。随着办公自动化、家用电器与医疗器械的小型化，各类用户越来越期望电动机厂商能提供体积小的电动机。世界直流微电机主要厂商、日本万宝至电动机公司(Mabuchi Motor Co．)看到了不断微型化是一种发展趋势，故卜分重视其直流微电机产品的微型化。该公司新开发的一种小型电动机可使旅行用电动牙刷小到像一支钢笔那样供人随身携带。瑞士微型电动机公司开发的供医疗器械使用的直流电动机小如蜜蜂。在美国的帕纳索尼克实业公司(Panasonic：Industry)成功地开发出一种省空问的电动机系列，此种电动机很薄(采用扁平转子)，适于装入不能容装常规长形电动机的空间内。美国杜克(Duke)大学研制过直径小到1mm的超微电磁电动机，这种电动机小到可进入人体动脉与其它小部位进行工作。美国也正在用硅与氧化物沉积在底材上的方法研制细如发丝的极小型静电电动机，这种微电机在医疗通讯与制造(微装配)方面具有重大应用价值，它可灵敏地测量人体血液的化学状态，可用于切割血管内障碍物的螺旋形细刀，可用于精密装置以分选出人体的各个细胞(例如计算出白血球数量)，从而可进行各种诊断化验。H本东芝公司研制出两类超微电动机，径向气隙电动机与轴向气隙电动机，前者的外径为3mm，全长为5mm：后者的定转子外径为O．8mm。日本松下技研公司制成直径只有

1．4mm的电动机，这种毫米级电动机的转矩相当于体积为其10倍的小型电动机的转矩。德国一家微型技术研究所最近展出一种直径只有2mm的电动机，这一新展品具有足够的动力可带动其它机械．其转速很高，可用于外科手术和计算机技术中。

2微电机生产向规模化、自动化方向发展

    日本曾成功地在美国销售微型电动机，是由于日本厂商用了大量代价建立起高生产率、大规模的新式的微电机工厂，因而日本制造电动机的成本仅为美国的三分之一，大量的差价主要是由于大量生产带来的好处。

    为了降低制造成本和提高产品质量，配合微电机生产持续发展的需要，目前采用的一个最普遍和行之有效的措施就是生产自动化，多年来。国外厂商对微电机制造工艺与设备的发展作出了大量投入，只要力所能及，就采用成套自动化生产线。

    近年来，国外对技术革新与自动化生产的意义的认识正在更新。过去，人们认为技术革新与自动化生产的意义主要表现在提高生产率、降低生产成本与解放劳动力。现今，这一意义已扩大，它还包括提供均一、高质产品，免去培训需要高技能的操作人员与加快投资的回收等。美国uppco公司认为，如果生产出来的电动机有缺陷，这不单有电动机报废所带来的成本，而且也有浪费时间、组件中其它部件得不到使用以及浪费、管理等问题。解决这些问题乃是开展技术革新与促进生产自动化的重要方面。

    国外厂商对电机生产的技术革新与自动化采取了很多措施，美国Uppco公司设计的所有加工方法均考虑到自动化与大批量生产，这使该公司近年的日产量提高20％～30％；美国Mallory Times公司Emhart电力和电子集团的经理盖姆斯·海因谈到有关该公司在Sparta生产定时器用的减速同步电动机工厂的情况时说：“以前需要20个以上的装配工，而现在采用自动化生产仅需要几个人管理。调整工艺的收获是巨大的，除了节省劳动力以外，总的来说是产品质量提高、废品减少了”。据报道，日本安川电机制作所东京工厂的生产自动化的特点是采用大量机器人，包括铁心制造、轴加工、绝缘处理、绕线、浸漆和烘干、装配、充磁、试运转、试验等都已实现了自动化，故能大幅度提高质量；铁心的制造采用冲剪、叠片、夹紧一次完成，轴加工用数控机床及专用机床，槽绝缘采用熔槽绝缘，绕线则使用该厂发明的绕线机，浸漆后用红外线烘干，电动机组装后由机器人充磁，然后磨电刷与换向器间接触面，再用自动试验装置测试电机的机械特性和调节特性，并将数据打印出来。

3缩短产品开发周期，加快新产品的推出，增强市场的快速反应能力

    由于产品的市场寿命短，以及国际市场竞争激烈，产品趋于多样化，为厂在这一竞争中取胜，国外各厂家都竞相建立柔性制造系统。

    国外厂商对加速电动机设计与缩短产品推出周期高度重视。他们使用计算机辅助设计、计算机辅助制造与计算机辅助工程(cAD、cAM、CAE)等计算机技术加快与改进设计过程，缩短样机试制周期。他们采用的方法与措施较多，其中之一是采用加速设计方略。美国阿米特克／兰姆公司与A．O．史密斯公司均采用并行工程法来达到目的。前者要求开发项目在开始阶段有深思熟虑的产品开发规划，足够的资源配置，有确定项目各个方面能在规定的时间框架内完成的计划。后者则实行并行处理项目的所有工程，将设计部门、制造部门与客户在研究过程之初就集中一起开展工作，发挥cAD的作用，让工程技术人员可及时参考任一电动机的设计与鉴定每一个编入的参数。该公司称此法可提高其提交首台样机就符合要求的能力，使新产品在最短的时间内就可设计好，并投产。美国艾默生电动机公司为加速产品开发而采用的新技术，包括用cAD技术设计冲片，用激光器剪切冲片，用人工智能法缩短工程周期。该公司于1993年采用一种立体平板印刷机。该机能以液态聚合物制出复杂的模型，且加快原型机的制作时间。工作人员可将由计算机制作的三维固态模型加载于立体平板印刷机上，几小时后就可获得一个实用零件，该零件可以是功能模型，可预检测，或作美学观测，这就无需制作模子。

4新型材料的应用

    在微电机中大力采用可取代金属材料的工程塑料与应用高性能钕铁硼永磁材料。

    在国外，工程塑料在电动机中的应用正在快速发展。由于工程塑料具有较高的强度、刚度、韧性与可注塑性、重量比金属轻、不需二次加工与去毛刺、不导电、寿命长等一系列优点，使它日益成为取代金属材料的理想材料．可应用于各种小功率电机中。美国Paragon电气公司的****产品设计工程师说：“我们考虑采用塑料，在齿轮箱中取消钢材，仅是轴销仍保留采用钢，其余采用模铸塑料，用塑料制造成本低、重量轻”。国外很多厂商正以各种方法在小电机中尝试或正式应用工程塑料。到目前为止，可以应用工程塑料制成的电动机零部件与组合件，计有端盖与机座、定子绝缘、转子绝缘、机壳、凸缘、轴承座、刷座、换向器与换向器片、座圈、压指、接线盒、电容器盒、风扇罩、扇叶、齿轮装置与制动片等。其中美国杜邦公司大力帮助不少厂商将工程塑料产品应用于电动机中，日本松下电气公司新开发的家电用塑封电动机与汽车用塑封电动机采用了该公司自行开发的工程塑料，以及日本电动机研究开发中心近年开发出一种采用工程塑料的制动片，供该中心生产制动电机使用等几例较为突出。

    近年，国外永磁材料的发展很快，其中尤以1983年问世的高性能钕铁硼永磁材料的发展最快，最为引人注目。由于钕铁硼永磁材料具有优异的磁特性，它在电机中的应用颇具吸引力。采用钕铁硼永磁材料制造的电动机具有转矩高、效率高、动力性能好以及体积小、重量轻等特点，很适应现代化电器与电子设备向短、小、轻、薄以及高效节能方向发展的需要。目前，钕铁硼永磁材料在小功率电动机中的应用主要表现在直流电动机与同步电动机领域，在无刷直流电动机与交流永磁伺服电动机中的应用取得了突破性发展，在其它类型电动机中的应用也在逐步取得进展。

5  电机及其驱动控制电路向集成化、专用化和机电一体化方向发展

    随着微电子技术和电力电子技术的发展，不能再以传统的电机观念考虑电机的发展，只有把电子技术同电机结合起来，才能开发全新性能的新一代产品。机电一体化就是把传统电机和电子技术的有机结合，是最终实现智能化的功能单元的必由之路。

    随着小型和微型电机的机械装置(应用机器)的种类不断增多．从录音机、电唱机、摄录像机、照相机、钟表、洗衣机等与生活密切相关的家电用品到打印机、复印机、传真机等办公机械以及计算机外围设备、汽车等都与之密切相关。它们所用的电机的类型众多，要对它们进行高性能的驱动控制，实现机电一体化，一般采用包含多个电子元件的集成电路芯片，现在已经开发了一种灵巧功率集成电路，它把低电压、高性能的控制电路与大功率驱动电路一同制作在一个芯片上，用作电机的驱动和控制，一般可以装在电机内部形成一体化装置。如直接驱动电唱机及驱动软磁盘主轴电机的集成电路，在同一芯片上有弱信号处理单元，也有输出功率单元。

    电机驱动采用lc后，****的优点是电路简化，有利于“小型、轻量、薄型化”，还可以使驱动精度和可靠性提高，成本降低，加快新产品开发。如采用专用的速度控制IC，就没有必要再自行设计特别的电路。最近，微型和小型电机在应用功率MOS场效应管和控制逻辑电路的基础上，进一步按用途把这些元件装成一体，称为智能终端型。采用了这种Ic后，负载的驱动电路部分更小型化，从而实现整台机器的小型化。最早采用的一个实例是索尼的小型直流放音机用了Motorola的MPcl715FU。另一种主轴电机控制器，它用一个伺服系统执行改变主轴转速等动态任务，如美国NS公司的LM621／621A伺服控制器和Motorola公司的MC33030直流伺服电机控制器／驱动器，LsI计算机系统公司推出的L$7263，专用于运动控制，还能对绕组、驱动器、电源提供过电流保护。

6新型电机的开发

    随着现代科学技术的飞速发展，对微电机的要求也越来越高。人们开始发现以往的电机(指基于电磁原理的电气电机)有各种局限性。近年人们借助微电子技术、精密机械技术、新材料技术、生物技术以及计算机技术等。开发研究出不少新原理的微电机，一些非电磁原理的微电机的开发工作也取得了很大的发展，并且在各个领域得到广泛的应用。具有代表性的，并已实用化的是超声波电机，除此以外，其它各种原理的微电机也在逐渐趋向实用化。

6．1超声波电机

    超声波电机是利用驱动部分(压电陶瓷元件的超声波振动)和移动部分之问的动摩擦力而获得运转力的一种新原理电机。这种电机没有绕组和磁场部件，结构简单。与以往的电机比较，超声波电机具有结构简单、重量轻、单位体积获得的力矩大、响应速度快和没有电磁噪声等优点，但转换效率低，转速为100～200r／min，适用于低速运转的场合。

    目前，超声波电机在日本已产品化，采用超声波电机的例子有自动聚焦照相机的望远镜头驱动部(佳能EOs)，它是在镜头外围配置外径77mm的杯状超声波电机。

6．2静电电机

    这是利用电场和电荷之间的动力的一种电机，其实这种设想很早就有，而直到如今才有试制品问世。不论是细小微粒还是薄片都有静电存在，利用这种原理可以制成很小的超微电机。美国加利福尼亚大学的理查德·马拉教授试制了一种电机转子直径为60～120／μm、厚度2μm。一个试制品中有12个定子电极作圆形配置，定子中央设置十字形转子，采用光刻方法在si基板上产生多结晶si、si₃N₄、SiO₂、PSG等部件依次重叠制成。尽量设法减少定子摩擦，结果用200V电压能达到1 50r／min转速。应用实例是使用显微镜进行显微手术。

6．3仿生电机

    对仿生电机有各种设想，其中之一是利用细菌转动鞭毛的原理，但现在还处于单纯的构思阶段。而作为迈向仿生电机的初级阶段，是利用高分子凝胶作为调节器的开发和研究，目前这项研究正在进行之中，这是利用高分子的机械一化学特性。如将一组电极接近聚丙烯酸(PAA)等高分子凝胶薄片，加上直流电场，凝胶就收缩弯曲。这是由于加上直流电场的凝胶内部离子发生移动，PH值发生变化，高分子电荷的平衡变化产生收缩。软调节器就是利用这种现象的电刺激驱动的。

6．4形状记忆合金电机

    这是一种感温电机，是利用某种金属加温后能恢复成原来的形状的记忆性质制成的电机。

6．5光热电机

    日本安川电机制作所试制出一种磁性材料(NdCO5或其中添加AL、Fe等物质)，把这种磁性材料放在磁场中磁化方向会随温度变化，利用这种性质制作光热电机。当用117w红外线聚光灯加热时，转速达450r／min。用40W灯时．转速为270r／min，试制品的能量效率只有1％左右，十分低。但若能利用太阳能或工厂的余热时，这种电机还是有利用价值的。

   

李兴根：男，1964年4月出生，副教授(博士)，主要研究微特申．机及其控制。