微型永磁直流電動機

鐵氧體使用至今，但由于其磁性較差，不適合高性能電機的需要，因而20世紀60年代出現(xiàn)了稀土釤鈷永磁體，其最大磁能積是鋁鎳鈷的四倍多，是鐵氧體的五倍多。釤鈷永磁體的出現(xiàn)使高性能伺服電動機得到實現(xiàn)，但由于釤鈷永磁體價格過高，限制了其應(yīng)用。20世紀80年代出現(xiàn)釹鐵硼永磁材料，除了工作溫度和磁溫度系數(shù)不及釤鈷永磁體外，其他性能都超過了釤鈷，而且釹鐵硼永磁體遠比釤鈷價格低得多。高性能永磁體的出現(xiàn)和性能不斷提高，將會引起電機行業(yè)的巨大改變。預(yù)計各種伺服電動機，不論是直流和交流，還是步進電機最終都將過渡到永磁電機，甚至于應(yīng)用領(lǐng)域很廣的交流異步電機也最終要被各類型的永磁電機所代替。

經(jīng)濟型永磁直流電動機

微型永磁直流電動機向經(jīng)濟型和高性能型兩個方向發(fā)展。所謂經(jīng)濟型，主要是指音響聲像設(shè)備中使用的微型直流電動機，如各種錄音機，錄像機、組合音響、電唱機、隨身聽、收音機、激光唱機、數(shù)字激光視盤機及汽車音響等。其特點是數(shù)量極大，價格低廉，一般每只幾元。日本萬寶至公司是世界生產(chǎn)經(jīng)濟永磁直流電動機最多的企業(yè)，每年產(chǎn)量數(shù)十億臺。但由于日元升值，日本本土在基本不生產(chǎn)這種電動機，大部分轉(zhuǎn)移中國大陸和東南亞各國。如萬寶至馬達公司在大連設(shè)立的萬寶至馬達大連有限公司和萬寶至馬達瓦房店有限公司以及萬寶至香港公司在東莞設(shè)立的來料加工工場，其產(chǎn)量已占總公司的絕大部分。日本三洋電機株式會社在蛇口設(shè)立的公司，投資1億港元，其中微型直流電動機年產(chǎn)量6000萬臺。 日本三協(xié)精機公司在廈門和廣東設(shè)立的獨資企業(yè)，年產(chǎn)各種微型直流電動機達到2億臺。香港德昌電機有限公司年產(chǎn)各種微電機10億臺以上，其中大部分是用于汽車電器中的微型直流電機。該公司還正在籌建年產(chǎn)量達4億臺的音響設(shè)備用小電機生產(chǎn)加工基地。日本美之美電機有限公司在珠海設(shè)立的珠海三美電機有限公司，年產(chǎn)微型直流電動機1億臺左右。這些電機基本上都是廉價的電機。我國大陸先后從日本引進了9條音響聲像電機生產(chǎn)線，不僅抵御了進口電機的沖擊，而且成為此類電機生產(chǎn)大國。如阜陽市青峰機械廠，先后從日本三協(xié)公司和萬寶至公司引進電子穩(wěn)速永磁直流電動機生產(chǎn)線及生產(chǎn)技術(shù)，又在深圳合資創(chuàng)辦了深圳發(fā)發(fā)微電機公司， 在合肥創(chuàng)辦了三維電子有限公司，加上本廠一起月產(chǎn)量達300萬臺，另外浙江海山集團公司，常州微特電機總廠等廠家也先后從國外引進生產(chǎn)線。目前國內(nèi)企業(yè)經(jīng)濟型微型直流電動機產(chǎn)量在2億臺，而獨資企業(yè)產(chǎn)量估計在10億臺左右，所以在中國大陸生產(chǎn)的經(jīng)濟型微型直流電動機占了全世界總量的絕大部分。這種經(jīng)濟型電機在技術(shù)上難度不大，但是生產(chǎn)必須有規(guī)模，年產(chǎn)百萬臺級別是不行的，必須達到千萬臺產(chǎn)量的數(shù)量級，所以設(shè)備投資巨大。

經(jīng)濟型直流電動機的發(fā)展趨勢是隨著其使用的要求而發(fā)展的，比如對于音響電機，是隨著整機對電動機追求更加小型、超薄、高速、高精度和低噪聲而不斷滿足其需要。因此這類電機的發(fā)展趨勢是：

⑴扁平輕小化。如錄音機 、電唱機、隨身聽、錄音機等設(shè)備、片狀電機受到青睞。

⑵無刷化。如錄像機，對磁鼓和主軸電機提出較高要求，而它是確保質(zhì)量的關(guān)鍵元件，所以現(xiàn)在大多采用無刷直流電機，以提高工作可靠性、高效率和降低低噪聲。

⑶高轉(zhuǎn)速化。在2000年日本小電機研討會暨展覽會上，三協(xié)、佳能、松下等公司都展出了DVD主軸電機，CD-ROM電機，轉(zhuǎn)速都在2000r/min以上，為了克服高速狀態(tài)下的軸承和噪聲問題，采用了動壓軸承結(jié)構(gòu)。利用空氣和油的動壓軸承與滾珠軸承相比，在體積、速度、噪聲和清潔度方面均有改進，且生產(chǎn)成本低，其應(yīng)用領(lǐng)域在逐步擴大。

⑷高精度化。如錄音機電機的穩(wěn)速誤差要求不大于0.75%，噪聲不大于32dB，抖晃率不大于0.03%。又如鼓電機是錄像機磁鼓伺服系統(tǒng)的主要部件，要求鼓電機的力矩波動小，噪聲低，機械安裝精度高，動態(tài)特性好。對DVD主軸電機要求與盤片配合的電機端面轉(zhuǎn)盤加工精度和配裝精度很高，轉(zhuǎn)盤端面跳動不大于20μm。要求微型永磁電動機高精度化是今后必然趨勢。

高性能稀土永磁直流電機

稀土永磁材料的研制開發(fā)對微電機的發(fā)展起了極大的推動作用。在美國、日本和西歐等發(fā)達國家，稀土永磁材料在電機中的應(yīng)用已占稀土永磁總銷售額60%以上。稀土永磁材料具有高的剩磁和矯頑力及磁能積，且具有良好的動態(tài)回復(fù)特性，尤其適合于高性能的微電機。

各向同性NdFeB粘結(jié)永磁體具有一些深受生產(chǎn)者和用戶喜愛的優(yōu)點，例如從電

機生產(chǎn)者的角度看，這種粘結(jié)永磁體的優(yōu)點是：

⑴尺寸、重量、性能上比粘結(jié)鐵氧體好幾倍；

⑵制作過程中工件不磁化，在計算機外圍設(shè)備應(yīng)用中有較少的污染；

⑶各向同性磁化可去掉轉(zhuǎn)子鐵心，降低轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和制作成本；

⑷在多極電機設(shè)計中的高抗退磁能力；

⑸在動態(tài)負載下穩(wěn)定的電機性能；

⑹在Hcj的溫度系數(shù)比各向異性NdFeB粘結(jié)永磁體低。

在國外，釹鐵硼電機的應(yīng)用越來越多。德國西門子公司年產(chǎn)數(shù)控機床，工業(yè)機器人用永磁電動機10萬臺以上。 西方各國1995年生產(chǎn)計算機外圍設(shè)備用音圈電機320萬臺，2000年達到600萬臺。美國通用汽車公司對汽車用稀土永磁電機的發(fā)展極為樂觀，該公司年需釹鐵硼電機達2億臺之多。 歐共體決定撥?？钗忻绹茽柕麓髮W(xué)專題研制釹鐵硼電機。日本是生產(chǎn)釹鐵硼永磁體的大國，一直壟斷永磁電動機市場。

近年國外開發(fā)了一種可實現(xiàn)小型低速、大轉(zhuǎn)矩化的電動機， 即便HD電機（High Density Motor ）它采用高性能稀土永磁材料和特殊磁回路的DD電動機（Direct Drive Motor）與小型高性能伺服驅(qū)動器組合而成。電機為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由電動機部分、軸承、轉(zhuǎn)子位置輸出部分構(gòu)成，直接和轉(zhuǎn)子連接。在HD電機的磁回路

中，外轉(zhuǎn)子鐵心槽中嵌有片狀的高性能稀土永磁，在電機內(nèi)藏有電磁減速齒輪，達到低速大轉(zhuǎn)矩的目的。與傳統(tǒng)的直接驅(qū)動電機比較，其鐵心利用率提高了2倍多，輸出轉(zhuǎn)矩高2倍。這種電機在立式磨床的主軸驅(qū)動、工業(yè)機器人等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。稀土永磁電機的發(fā)展方向是微型化和超薄型化。由于釹鐵硼的最大磁能積高，特別是能制成超薄型，從而使過去難以做到的超微薄型結(jié)構(gòu)電機得以實現(xiàn)。如國外用在小型立體聲單放機，薄型錄像機中的片狀無刷直流電機，整個電機外型厚度僅4.3mm，轉(zhuǎn)子采用釹鐵硼，磁場方向為軸向，控制部分印制在一塊板上，實現(xiàn)了高度集成化模塊，大大提高了電機可靠性。

在高溫、高真空等特殊環(huán)境下，釤鈷永磁電機的應(yīng)用仍占主導(dǎo)地位。釤鈷永磁體由于具有工作溫度高，溫度系數(shù)小以及耐腐蝕性強的特點，因而在宇航設(shè)備、原子能設(shè)備、水下機器人、NC機床等特殊環(huán)境下應(yīng)用廣泛。英國Muihead Vaetric公司開發(fā)的潛水艇雷達無線驅(qū)動用永磁電機，其絕緣等級為H級（180℃），電機由帶有霍爾傳感器的無刷直流電機，編碼器和溫度傳感器三部分組成，功率達800W，在轉(zhuǎn)速80r/min的情況下，峰值力矩達40N.m。美國西蒙茲精密產(chǎn)品公司用小型釤鈷永磁發(fā)電機作為航空點火系統(tǒng)及發(fā)動機控制系統(tǒng)的電源， 以滿足航空發(fā)動機嚴格的振動及高溫環(huán)境要求，在F-15戰(zhàn)斗機和F-100噴氣發(fā)動機上均有應(yīng)用。德國西門子公司研制開發(fā)的用于數(shù)控機床進給系統(tǒng)的驅(qū)動電機就是釤鈷永磁電機。瑞士Interelectric公司研制的高性能空心杯轉(zhuǎn)子永磁直流電動機有S、A、RE、F四大系列，功率從2.5W至250W，直徑從10～75mm，品種達數(shù)千種，并配有精密齒輪和編碼器、測速機等各類組合電機。摶鸚翹鉸氛吆艛上裝有11只這種高科技直流微電機。

無刷直流電動機

無刷直流電動機是電動機技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合的機電一體化新型微電機。它是一種最有前途的電動機。無刷直流電動機的主要特征是具有與普通有刷直流電流電動機相似的機械特性以及必須有電子換向電路。由于無刷直流電動機徹底取消了機械換向器和電刷，而又具備傳統(tǒng)直流電動機相同的線性機械特性，調(diào)速范圍寬，起動力矩大，效率高等優(yōu)點，又具有如下特點：

⑴高可靠性、長壽命，工作時限主要決定于軸承及潤滑，高性能電動機的使用壽命可達數(shù)萬小時。

⑵不必經(jīng)常維護。

⑶無電氣接觸火花，安全、防爆性好，無線電干擾小 。

⑷機械噪聲低。

⑸可工作于高真空，有腐蝕性氣體介質(zhì)和液體介質(zhì)環(huán)境中，例如宇航設(shè)備。

⑹可工作于高速或超高速。已有100000r/min產(chǎn)品。

⑺采用內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子（inside-out）結(jié)構(gòu)，繞組在定子上，易于散熱，轉(zhuǎn)子采用永磁體勵磁，無通電繞組，幾乎無損耗和發(fā)熱。

⑻與電子電路結(jié)合，有更大的使用靈活性。例如：利用小功率邏輯控制信號可控制電動機的起停，正反轉(zhuǎn)或調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，適于數(shù)字控制，易于與微機接口。正由于此，無刷直流電動機在工業(yè)和家用及國防等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

在航空航天領(lǐng)域，由于高真空，無刷直流電動機的優(yōu)勢是最明顯的。如宇宙飛船中用的各種泵，使用了許多無刷電動機。