李興根(浙江大學杭州  310027)

  【摘  要】綜述了有關微電機產品的生產、設計、新材料應用和發展的國外****技術動態。

1  微電機產品向短小輕薄化方向發展

    電機的短小輕薄化是為了滿足其應用機器的小型化、薄型化的要求。以軟盤驅動器(FDD)為例，由于電機要裝入個人微機內，因此縮小電機的體積、厚度顯得十分重要。從80年代初的203．2～133．35mm(8～5．25英寸)，直至現在的88．9mm(3．5英寸)FDD，充分說明了FDD的小型化、輕量化動向。為了實現機器的小型化、輕量化、薄型化，相對要解決的技術難題集中到三個方面：①主軸電機等的薄型化。②緊固結構的小型化、薄型化。③電路板的簡化。其中第一、二兩條與電機直接有關。關于電路板，正在力圖使電機驅動系統、讀寫系統等各種機能由相應的專用IC完成，如果再進一步LsI化，就可以大幅度地小型化。但在設計機器時，電機基本上總要占有一定的空間，因此與電路相比，電機在小型化方面就不那么容易，可見機器的小型化關鍵在于電機。

    多年來，國外廠商對縮小電動機的體積一直十分重視。隨著辦公自動化、家用電器與醫療器械的小型化，各類用戶越來越期望電動機廠商能提供體積小的電動機。世界直流微電機主要廠商、日本萬寶至電動機公司(Mabuchi Motor Co．)看到了不斷微型化是一種發展趨勢，故卜分重視其直流微電機產品的微型化。該公司新開發的一種小型電動機可使旅行用電動牙刷小到像一支鋼筆那樣供人隨身攜帶。瑞士微型電動機公司開發的供醫療器械使用的直流電動機小如蜜蜂。在美國的帕納索尼克實業公司(Panasonic：Industry)成功地開發出一種省空問的電動機系列，此種電動機很薄(采用扁平轉子)，適于裝入不能容裝常規長形電動機的空間內。美國杜克(Duke)大學研制過直徑小到1mm的超微電磁電動機，這種電動機小到可進入人體動脈與其它小部位進行工作。美國也正在用硅與氧化物沉積在底材上的方法研制細如發絲的極小型靜電電動機，這種微電機在醫療通訊與制造(微裝配)方面具有重大應用價值，它可靈敏地測量人體血液的化學狀態，可用于切割血管內障礙物的螺旋形細刀，可用于精密裝置以分選出人體的各個細胞(例如計算出白血球數量)，從而可進行各種診斷化驗。H本東芝公司研制出兩類超微電動機，徑向氣隙電動機與軸向氣隙電動機，前者的外徑為3mm，全長為5mm：后者的定轉子外徑為O．8mm。日本松下技研公司制成直徑只有

1．4mm的電動機，這種毫米級電動機的轉矩相當于體積為其10倍的小型電動機的轉矩。德國一家微型技術研究所最近展出一種直徑只有2mm的電動機，這一新展品具有足夠的動力可帶動其它機械．其轉速很高，可用于外科手術和計算機技術中。

2微電機生產向規模化、自動化方向發展

    日本曾成功地在美國銷售微型電動機，是由于日本廠商用了大量代價建立起高生產率、大規模的新式的微電機工廠，因而日本制造電動機的成本僅為美國的三分之一，大量的差價主要是由于大量生產帶來的好處。

    為了降低制造成本和提高產品質量，配合微電機生產持續發展的需要，目前采用的一個最普遍和行之有效的措施就是生產自動化，多年來。國外廠商對微電機制造工藝與設備的發展作出了大量投入，只要力所能及，就采用成套自動化生產線。

    近年來，國外對技術革新與自動化生產的意義的認識正在更新。過去，人們認為技術革新與自動化生產的意義主要表現在提高生產率、降低生產成本與解放勞動力�，F今，這一意義已擴大，它還包括提供均一、高質產品，免去培訓需要高技能的操作人員與加快投資的回收等。美國uppco公司認為，如果生產出來的電動機有缺陷，這不單有電動機報廢所帶來的成本，而且也有浪費時間、組件中其它部件得不到使用以及浪費、管理等問題。解決這些問題乃是開展技術革新與促進生產自動化的重要方面。

    國外廠商對電機生產的技術革新與自動化采取了很多措施，美國Uppco公司設計的所有加工方法均考慮到自動化與大批量生產，這使該公司近年的日產量提高20％～30％；美國Mallory Times公司Emhart電力和電子集團的經理蓋姆斯·海因談到有關該公司在Sparta生產定時器用的減速同步電動機工廠的情況時說：“以前需要20個以上的裝配工，而現在采用自動化生產僅需要幾個人管理。調整工藝的收獲是巨大的，除了節省勞動力以外，總的來說是產品質量提高、廢品減少了”。據報道，日本安川電機制作所東京工廠的生產自動化的特點是采用大量機器人，包括鐵心制造、軸加工、絕緣處理、繞線、浸漆和烘干、裝配、充磁、試運轉、試驗等都已實現了自動化，故能大幅度提高質量；鐵心的制造采用沖剪、疊片、夾緊一次完成，軸加工用數控機床及專用機床，槽絕緣采用熔槽絕緣，繞線則使用該廠發明的繞線機，浸漆后用紅外線烘干，電動機組裝后由機器人充磁，然后磨電刷與換向器間接觸面，再用自動試驗裝置測試電機的機械特性和調節特性，并將數據打印出來。

3縮短產品開發周期，加快新產品的推出，增強市場的快速反應能力

    由于產品的市場壽命短，以及國際市場競爭激烈，產品趨于多樣化，為廠在這一競爭中取勝，國外各廠家都競相建立柔性制造系統。

    國外廠商對加速電動機設計與縮短產品推出周期高度重視。他們使用計算機輔助設計、計算機輔助制造與計算機輔助工程(cAD、cAM、CAE)等計算機技術加快與改進設計過程，縮短樣機試制周期。他們采用的方法與措施較多，其中之一是采用加速設計方略。美國阿米特克／蘭姆公司與A．O．史密斯公司均采用并行工程法來達到目的。前者要求開發項目在開始階段有深思熟慮的產品開發規劃，足夠的資源配置，有確定項目各個方面能在規定的時間框架內完成的計劃。后者則實行并行處理項目的所有工程，將設計部門、制造部門與客戶在研究過程之初就集中一起開展工作，發揮cAD的作用，讓工程技術人員可及時參考任一電動機的設計與鑒定每一個編入的參數。該公司稱此法可提高其提交首臺樣機就符合要求的能力，使新產品在最短的時間內就可設計好，并投產。美國艾默生電動機公司為加速產品開發而采用的新技術，包括用cAD技術設計沖片，用激光器剪切沖片，用人工智能法縮短工程周期。該公司于1993年采用一種立體平板印刷機。該機能以液態聚合物制出復雜的模型，且加快原型機的制作時間。工作人員可將由計算機制作的三維固態模型加載于立體平板印刷機上，幾小時后就可獲得一個實用零件，該零件可以是功能模型，可預檢測，或作美學觀測，這就無需制作模子。

4新型材料的應用

    在微電機中大力采用可取代金屬材料的工程塑料與應用高性能釹鐵硼永磁材料。

    在國外，工程塑料在電動機中的應用正在快速發展。由于工程塑料具有較高的強度、剛度、韌性與可注塑性、重量比金屬輕、不需二次加工與去毛刺、不導電、壽命長等一系列優點，使它日益成為取代金屬材料的理想材料．可應用于各種小功率電機中。美國Paragon電氣公司的****產品設計工程師說：“我們考慮采用塑料，在齒輪箱中取消鋼材，僅是軸銷仍保留采用鋼，其余采用模鑄塑料，用塑料制造成本低、重量輕”。國外很多廠商正以各種方法在小電機中嘗試或正式應用工程塑料。到目前為止，可以應用工程塑料制成的電動機零部件與組合件，計有端蓋與機座、定子絕緣、轉子絕緣、機殼、凸緣、軸承座、刷座、換向器與換向器片、座圈、壓指、接線盒、電容器盒、風扇罩、扇葉、齒輪裝置與制動片等。其中美國杜邦公司大力幫助不少廠商將工程塑料產品應用于電動機中，日本松下電氣公司新開發的家電用塑封電動機與汽車用塑封電動機采用了該公司自行開發的工程塑料，以及日本電動機研究開發中心近年開發出一種采用工程塑料的制動片，供該中心生產制動電機使用等幾例較為突出。

    近年，國外永磁材料的發展很快，其中尤以1983年問世的高性能釹鐵硼永磁材料的發展最快，最為引人注目。由于釹鐵硼永磁材料具有優異的磁特性，它在電機中的應用頗具吸引力。采用釹鐵硼永磁材料制造的電動機具有轉矩高、效率高、動力性能好以及體積小、重量輕等特點，很適應現代化電器與電子設備向短、小、輕、薄以及高效節能方向發展的需要。目前，釹鐵硼永磁材料在小功率電動機中的應用主要表現在直流電動機與同步電動機領域，在無刷直流電動機與交流永磁伺服電動機中的應用取得了突破性發展，在其它類型電動機中的應用也在逐步取得進展。

5  電機及其驅動控制電路向集成化、專用化和機電一體化方向發展

    隨著微電子技術和電力電子技術的發展，不能再以傳統的電機觀念考慮電機的發展，只有把電子技術同電機結合起來，才能開發全新性能的新一代產品。機電一體化就是把傳統電機和電子技術的有機結合，是最終實現智能化的功能單元的必由之路。

    隨著小型和微型電機的機械裝置(應用機器)的種類不斷增多．從錄音機、電唱機、攝錄像機、照相機、鐘表、洗衣機等與生活密切相關的家電用品到打印機、復印機、傳真機等辦公機械以及計算機外圍設備、汽車等都與之密切相關。它們所用的電機的類型眾多，要對它們進行高性能的驅動控制，實現機電一體化，一般采用包含多個電子元件的集成電路芯片，現在已經開發了一種靈巧功率集成電路，它把低電壓、高性能的控制電路與大功率驅動電路一同制作在一個芯片上，用作電機的驅動和控制，一般可以裝在電機內部形成一體化裝置。如直接驅動電唱機及驅動軟磁盤主軸電機的集成電路，在同一芯片上有弱信號處理單元，也有輸出功率單元。

    電機驅動采用lc后，****的優點是電路簡化，有利于“小型、輕量、薄型化”，還可以使驅動精度和可靠性提高，成本降低，加快新產品開發。如采用專用的速度控制IC，就沒有必要再自行設計特別的電路。最近，微型和小型電機在應用功率MOS場效應管和控制邏輯電路的基礎上，進一步按用途把這些元件裝成一體，稱為智能終端型。采用了這種Ic后，負載的驅動電路部分更小型化，從而實現整臺機器的小型化。最早采用的一個實例是索尼的小型直流放音機用了Motorola的MPcl715FU。另一種主軸電機控制器，它用一個伺服系統執行改變主軸轉速等動態任務，如美國NS公司的LM621／621A伺服控制器和Motorola公司的MC33030直流伺服電機控制器／驅動器，LsI計算機系統公司推出的L$7263，專用于運動控制，還能對繞組、驅動器、電源提供過電流保護。

6新型電機的開發

    隨著現代科學技術的飛速發展，對微電機的要求也越來越高。人們開始發現以往的電機(指基于電磁原理的電氣電機)有各種局限性。近年人們借助微電子技術、精密機械技術、新材料技術、生物技術以及計算機技術等。開發研究出不少新原理的微電機，一些非電磁原理的微電機的開發工作也取得了很大的發展，并且在各個領域得到廣泛的應用。具有代表性的，并已實用化的是超聲波電機，除此以外，其它各種原理的微電機也在逐漸趨向實用化。

6．1超聲波電機

    超聲波電機是利用驅動部分(壓電陶瓷元件的超聲波振動)和移動部分之問的動摩擦力而獲得運轉力的一種新原理電機。這種電機沒有繞組和磁場部件，結構簡單。與以往的電機比較，超聲波電機具有結構簡單、重量輕、單位體積獲得的力矩大、響應速度快和沒有電磁噪聲等優點，但轉換效率低，轉速為100～200r／min，適用于低速運轉的場合。

    目前，超聲波電機在日本已產品化，采用超聲波電機的例子有自動聚焦照相機的望遠鏡頭驅動部(佳能EOs)，它是在鏡頭外圍配置外徑77mm的杯狀超聲波電機。

6．2靜電電機

    這是利用電場和電荷之間的動力的一種電機，其實這種設想很早就有，而直到如今才有試制品問世。不論是細小微粒還是薄片都有靜電存在，利用這種原理可以制成很小的超微電機。美國加利福尼亞大學的理查德·馬拉教授試制了一種電機轉子直徑為60～120／μm、厚度2μm。一個試制品中有12個定子電極作圓形配置，定子中央設置十字形轉子，采用光刻方法在si基板上產生多結晶si、si₃N₄、SiO₂、PSG等部件依次重疊制成。盡量設法減少定子摩擦，結果用200V電壓能達到1 50r／min轉速。應用實例是使用顯微鏡進行顯微手術。

6．3仿生電機

    對仿生電機有各種設想，其中之一是利用細菌轉動鞭毛的原理，但現在還處于單純的構思階段。而作為邁向仿生電機的初級階段，是利用高分子凝膠作為調節器的開發和研究，目前這項研究正在進行之中，這是利用高分子的機械一化學特性。如將一組電極接近聚丙烯酸(PAA)等高分子凝膠薄片，加上直流電場，凝膠就收縮彎曲。這是由于加上直流電場的凝膠內部離子發生移動，PH值發生變化，高分子電荷的平衡變化產生收縮。軟調節器就是利用這種現象的電刺激驅動的。

6．4形狀記憶合金電機

    這是一種感溫電機，是利用某種金屬加溫后能恢復成原來的形狀的記憶性質制成的電機。

6．5光熱電機

    日本安川電機制作所試制出一種磁性材料(NdCO5或其中添加AL、Fe等物質)，把這種磁性材料放在磁場中磁化方向會隨溫度變化，利用這種性質制作光熱電機。當用117w紅外線聚光燈加熱時，轉速達450r／min。用40W燈時．轉速為270r／min，試制品的能量效率只有1％左右，十分低。但若能利用太陽能或工廠的余熱時，這種電機還是有利用價值的。

   

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