微型永磁直流電動機(jī)無刷直流電動機(jī)

經(jīng)濟(jì)型永磁直流電動機(jī)

微型永磁直流電動機(jī)向經(jīng)濟(jì)型和高性能型兩個方向發(fā)展。所謂經(jīng)濟(jì)型，主要是指音響聲像設(shè)備中使用的微型直流電動機(jī)，如各種錄音機(jī)，錄像機(jī)、組合音響、電唱機(jī)、隨身聽、收音機(jī)、激光唱機(jī)、數(shù)字激光視盤機(jī)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(jì)永磁直流電動機(jī)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(jī)，大部分轉(zhuǎn)移中國大陸和東南亞各國。如萬寶至馬達(dá)公司在大連設(shè)立的萬寶至馬達(dá)大連有限公司和萬寶至馬達(dá)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(jī)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(jī)年產(chǎn)量6000萬臺。 日本三協(xié)精機(jī)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(jī)達(dá)到2億臺。香港德昌電機(jī)有限公司年產(chǎn)各種微電機(jī)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(jī)。該公司還正在籌建年產(chǎn)量達(dá)4億臺的音響設(shè)備用小電機(jī)生產(chǎn)加工基地。日本美之美電機(jī)有限公司在珠海設(shè)立的珠海三美電機(jī)有限公司，年產(chǎn)微型直流電動機(jī)1億臺左右。這些電機(jī)基本上都是廉價的電機(jī)。我國大陸先后從日本引進(jìn)了9條音響聲像電機(jī)生產(chǎn)線，不僅抵御了進(jìn)口電機(jī)的沖擊，而且成為此類電機(jī)生產(chǎn)大國。如阜陽市青峰機(jī)械廠，先后從日本三協(xié)公司和萬寶至公司引進(jìn)電子穩(wěn)速永磁直流電動機(jī)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(jī)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(dá)300萬臺，另外浙江海山集團(tuán)公司，常州微特電機(jī)總廠等廠家也先后從國外引進(jìn)生產(chǎn)線。目前國內(nèi)企業(yè)經(jīng)濟(jì)型微型直流電動機(jī)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(jì)型微型直流電動機(jī)占了全世界總量的絕大部分。這種經(jīng)濟(jì)型電機(jī)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(dá)到千萬臺產(chǎn)量的數(shù)量級，所以設(shè)備投資巨大。

經(jīng)濟(jì)型直流電動機(jī)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(jī)，是隨著整機(jī)對電動機(jī)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(jī)的發(fā)展趨勢是：

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

⑵無刷化。如錄像機(jī)，對磁鼓和主軸電機(jī)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(jī)，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(jī)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(jī)，CD-ROM電機(jī)，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(jìn)，且生產(chǎn)成本低，其應(yīng)用領(lǐng)域在逐步擴(kuò)大。

⑷高精度化。如錄音機(jī)電機(jī)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(jī)是錄像機(jī)磁鼓伺服系統(tǒng)的主要部件，要求鼓電機(jī)的力矩波動小，噪聲低，機(jī)械安裝精度高，動態(tài)特性好。對DVD主軸電機(jī)要求與盤片配合的電機(jī)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(jī)高精度化是今后必然趨勢。

高性能稀土永磁直流電機(jī)

稀土永磁材料的研制開發(fā)對微電機(jī)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(dá)國家，稀土永磁材料在電機(jī)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(jī)。

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(jī)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(jī)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(jī)設(shè)計中的高抗退磁能力；

⑸在動態(tài)負(fù)載下穩(wěn)定的電機(jī)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(jī)的應(yīng)用越來越多。德國西門子公司年產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人用永磁電動機(jī)10萬臺以上。 西方各國1995年生產(chǎn)計算機(jī)外圍設(shè)備用音圈電機(jī)320萬臺，2000年達(dá)到600萬臺。美國通用汽車公司對汽車用稀土永磁電機(jī)的發(fā)展極為樂觀，該公司年需釹鐵硼電機(jī)達(dá)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(jī)。日本是生產(chǎn)釹鐵硼永磁體的大國，一直壟斷永磁電動機(jī)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(jī)， 即便HD電機(jī)（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(jī)（Direct Drive Motor）與小型高性能伺服驅(qū)動器組合而成。電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由電動機(jī)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(jī)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(jī)內(nèi)藏有電磁減速齒輪，達(dá)到低速大轉(zhuǎn)矩的目的。與傳統(tǒng)的直接驅(qū)動電機(jī)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(jī)在立式磨床的主軸驅(qū)動、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。稀土永磁電機(jī)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(jī)得以實現(xiàn)。如國外用在小型立體聲單放機(jī)，薄型錄像機(jī)中的片狀無刷直流電機(jī)，整個電機(jī)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(jī)可靠性。

在高溫、高真空等特殊環(huán)境下，釤鈷永磁電機(jī)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(qiáng)的特點，因而在宇航設(shè)備、原子能設(shè)備、水下機(jī)器人、NC機(jī)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(dá)無線驅(qū)動用永磁電機(jī)，其絕緣等級為H級（180℃），電機(jī)由帶有霍爾傳感器的無刷直流電機(jī)，編碼器和溫度傳感器三部分組成，功率達(dá)800W，在轉(zhuǎn)速80r/min的情況下，峰值力矩達(dá)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(jī)作為航空點火系統(tǒng)及發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的電源， 以滿足航空發(fā)動機(jī)嚴(yán)格的振動及高溫環(huán)境要求，在F-15戰(zhàn)斗機(jī)和F-100噴氣發(fā)動機(jī)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(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)就是釤鈷永磁電機(jī)。瑞士Interelectric公司研制的高性能空心杯轉(zhuǎn)子永磁直流電動機(jī)有S、A、RE、F四大系列，功率從2.5W至250W，直徑從10～75mm，品種達(dá)數(shù)千種，并配有精密齒輪和編碼器、測速機(jī)等各類組合電機(jī)。摶鸚翹鉸氛吆艛上裝有11只這種高科技直流微電機(jī)。

無刷直流電動機(jī)

無刷直流電動機(jī)是電動機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合的機(jī)電一體化新型微電機(jī)。它是一種最有前途的電動機(jī)。無刷直流電動機(jī)的主要特征是具有與普通有刷直流電流電動機(jī)相似的機(jī)械特性以及必須有電子換向電路。由于無刷直流電動機(jī)徹底取消了機(jī)械換向器和電刷，而又具備傳統(tǒng)直流電動機(jī)相同的線性機(jī)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(jī)的使用壽命可達(dá)數(shù)萬小時。

⑵不必經(jīng)常維護(hù)。

⑶無電氣接觸火花，安全、防爆性好，無線電干擾小 。

⑷機(jī)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(jī)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(jī)接口。正由于此，無刷直流電動機(jī)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(jī)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(jī)。

鐵氧體使用至今，但由于其磁性較差，不適合高性能電機(jī)的需要，因而20世紀(jì)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(jī)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(jì)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(yuǎn)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(jī)行業(yè)的巨大改變。預(yù)計各種伺服電動機(jī)，不論是直流和交流，還是步進(jìn)電機(jī)最終都將過渡到永磁電機(jī)，甚至于應(yīng)用領(lǐng)域很廣的交流異步電機(jī)也最終要被各類型的永磁電機(jī)所代替。