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電能是現代大量應用的一種能量形式，而電能的生產、變換、傳輸、分配、使用和控制等，都必須利用電機這種進行能量變換或訊號變換的電磁裝置。因此，電動機作為機械化、電氣化和自動化的原動機，廣泛應用于國民經濟建設、國防建設、科學技術研究和人民物質文明生活的各個領域，例如電動機在汽車上的應用情況見表1。20世紀末以來，由于功率電子學、微電子學、控制論、精密機械制造技術等先進學科的滲透，使各類電機成為各種機電系統中一個較為重要的元件。20世紀的特點是由電氣化時代進入原子能、計算機及自動化時代，它不僅對電機提出了諸如性能良好、運行可靠、單位容量輕、體積小等方面愈來愈多的要求，而且隨著自動控制系統和計算裝置的發(fā)展，在旋轉電機的理論基礎上，發(fā)展出多種高可靠性、高精度、快速響應的控制電機，成為電機學科的獨立分支。 <BR> 20世紀90年代以來，日本的小電機產量受到電子產品、通訊產品、家用電器、轎車等行業(yè)的刺激，迅速得到發(fā)展，年產量達到全球產量的80%以上，1995年生產了32億臺，占全球產量的83%，產值達75億美元，幾乎壟斷了全球市場。日本以外的產量大小依次排序為：中國、馬來西亞、菲律賓、泰國、美國、韓國、印尼、西班牙、新加坡等地。<BR> 微特電機及其應用<BR> 微特電機是電機的一個主要分支，20世紀末以來，直線電機、低速電機、超聲波電機、DH電機及其它微電機發(fā)展迅速。微特直線電機多采用在自動控制系統中作為伺服電動機，或者作為一種執(zhí)行元件使用。近年來，隨著自動控制技術和微型計算機的高速發(fā)展，對各類自動控制系統的定位精度提出了更高的要求。在這種情況下，傳統的旋轉電機再加上一套變換機構組的直線運動裝置，已經遠遠滿足不了現代控制系統的要求。<BR> 為此，近年來世界許多國家都在研究發(fā)展和應用直線電機，使得直線電機越來越受到電機制造商的重視和關注。<BR> 微特直線電機特點<BR> ★ 機械結構簡單，不需要一套變換裝置<BR> ★ 系統的定位精度高<BR> ★ 反應速度快、靈敏度高<BR> ★ 尺寸緊湊，重量 輕部件少等<BR> 目前，以微特直線電機為主要控制元件的新型設備和儀器儀表正在國際市場上大量涌現。如小型記錄儀中指示器、控制器、計算機磁盤上用的磁頭驅動裝置等均采用了直線電動機。據統計，全世界每年在這一領域內所需微特直線電機達50萬臺。在機床領域內，隨著機床向高速化、高精度化方向發(fā)展，直線懸浮電動機（電磁軸承）在高速切削機床和高速主軸部件上的應用也日趨廣泛。它是采用懸浮技術使電動機的動子懸浮在空中，其轉速可高達25000?00000r/min以上。這種直線懸浮電動機目前在日本、法國、美國、德國等許多國家已進入實用。<BR> 微特直線電機在醫(yī)療器械方面也有廣泛的應用。例如日本山田一先生采用直線電機作為人工心臟的泵驅動器，該裝置可用作植入式人工心臟。<BR> 此外，微特直線電機在家用電器方面的應用近年來也漸成時尚，如目前已進入商品化的直線電動窗簾、電動門、電動鎖等都是利用直線電機進行驅動的。日本已研制出在家用洗衣機上采用直線電動機進行驅動攪拌器，這是一種180度反轉方式的洗衣機，與采用旋轉電機的洗衣機相比，零件數明顯減少，約為旋轉電機洗衣機的1/10，故成本大為下降；其次是壽命長，不需維護，每天使用24小時，能連續(xù)運行7年；第三是能夠在較大范圍內調節(jié)洗滌能力及攪拌機的速度。<BR> 低速電機及其應用<BR> 傳統電機都是以高速旋轉的，一般為：2800、1400、960、720r/min四種轉速，這種轉速很難滿足各種工業(yè)設備運行的需要，90%的電機必須與龐大的減速機構配套使用。在伺服系統中，電機采用齒輪轉動后，不僅使系統尺寸、重量增加，而且造成噪聲、增加慣量及降低效率。同時，由于齒輪嚙合精度的限制，在要求正反轉和平穩(wěn)快速反應時，齒輪轉動往往影響系統性能。隨著宇航、衛(wèi)星、火箭等尖端技術的發(fā)展，低速電機應運而生。這種電機體積小、重量輕，直接輸出較低的轉速，無需再用減速機，同時能輸出大轉矩。因為低速電機轉速低可直接驅動機械設備，既節(jié)約了能源，又降低了成本。<BR> 一般低速電機是指每分鐘在幾十轉以下的電動機。它的定子為一般結構，嵌有勵磁繞組，轉子則由柔性材料制成。運轉中，轉子作波形運動，即由橢園變形發(fā)生的擺線運動，從而直接獲得低速旋轉。由于它的構造原理獨特，性能優(yōu)越，低速電機已成為當代電機產品的主流之一。1963年，美國聯合制鞋機械公司（USM）首先發(fā)明了伺服低速電機，并被成功地應用于宇航、衛(wèi)星等高技術領域。之后，日本引進美國全套技術，并依此原理制成了諧波傳動電動機（Resposyn）。<BR> 近年來，美國又在研制通用低速電機，并在通用低速電機研究與生產處于世界領先水平，生產廠主要是HDSG公司。該公司生產的低速電機與美國的不同，其優(yōu)點更為突出，該電機輸出轉速僅2.8r/min。這一先進技術代表著電機發(fā)展的一個方向。<BR> 低速電機的應用領域極其廣闊，尤其在低速運行場合更加顯示出非同一般的優(yōu)越性。它使整個傳動系統大為簡化，結構緊湊，成本降低，整機噪聲下降，促進產品上水平、上檔次。據不完全統計，我國每年需要生產近600萬臺，其市場前景極為樂觀。同時，由于省去了減速機構，傳動系統大為簡化，機械效率相應地提高，因而節(jié)約了能源和大量的原輔材料，其社會效益亦極為可觀。以醫(yī)用X光機的床身翻轉系統為例，如改用低速的電機，就能省掉原來龐大笨重的齒輪、蝸輪、蝸桿、絲桿構成的減速系統，直接驅動床身翻轉，從而提高整機產品的綜合性能指標，這種X光機我國每年約生產4000臺。<BR> 超聲電動機<BR> 超聲波電動機是國外最近幾年發(fā)展起來的一種新型電動機。超聲波電動機突破了傳統的電磁電動機的概念，它沒有磁場，不依靠電磁相互作用來轉換能量，而是利用壓電陶瓷元件的逆效應和超聲振動，將材料的微觀變形通過機械共振放大和摩擦耦合轉換成轉子（旋轉型）或滑塊（直線型）的宏觀運動。超聲波電動機與傳統電磁電動機相比，它具有慣量小、響應快、控制特性好、不受磁場影響，其本身亦不產生磁場、運動準確等特點。特別是它具有重量輕、結構簡單、效率高、噪聲低、低速時輸出大轉矩以及直接驅動負載等優(yōu)點。它不需要附加齒輪變速機構，避免了使用齒輪變速而產生的振動、沖擊與噪聲、低效率、難控制等一系列問題。<BR> 超聲波電動機的雛形最早由前蘇聯在60年代初提出，但未研究下去。1973年美國IBM的H·V·Barch首次研制成功以振動能量作為驅動源的電動機。超聲波電動機是在八十年代走向實用。1982年日本研制成功了兩種實用的超聲波電動機，即駐波型和行波型。此后十多年間，日本、美國、俄羅斯、德國競相研制各種類型和用途的超聲波電動機，迄今已達數十種之多。<BR> 超聲波電動機的應用領域十分廣闊，目前主要用于照相機的自動聚焦，這主要是由于超聲波電動機適應了這種高轉矩的需要，而且中心位又可以做中空結構的緣故。其它方面，如機床設備、機器人、汽車、辦公設備、醫(yī)療器械等領域都有應用。專家預計，隨著人們對超聲波電動機的進一步研究和應用面的拓寬，到2000年，該電機保守估計全世界將形成幾十億美元的銷售額，若在汽車工業(yè)以及辦公自動化設備上得到充分推廣應用，那么其銷售額至少在百億美元以上。<BR> DD和HD電動機<BR> DD電動機（Direct Drive Motor）具有低速、大轉矩的特點，與伺服電動機加減速機方式相比，具有無齒隙游移，機械剛性高以及無需維護等優(yōu)點，并可實現高精度高位置控制。因此，在高速、高精度的位置定位、搬運等場合得到廣泛應用。目前，所使用的DD電動機大體上有DC無刷型，可變磁阻型（VR）和混合型（HB）等幾種，而這幾種電動機尚存在體積大、鐵芯利用率低以及單位體積輸出轉矩小等缺點，因而在一些精密機床以及特殊場合下的應用受到限制。<BR> 近年來，國外開發(fā)了一種可實現小型、大轉矩化的電動機，即HD電動機（High Density Motor）。它是采用高性能的永久磁鐵和獨特的磁回路的DD電動機與小型、高性能AC伺服驅動器組合而成的機電一體化產品，和傳統的DD電動機相比，實現了電動機的小型化和大轉矩化。<BR> HD電動機可分為旋轉式和直線式，其主要特點：一是轉矩（推力）大。在相同體積的情況下，與VR型和HB型電動機相比，其輸出轉矩（推力）可提高2倍左右；二是效率高、線性度好。與DC無刷型電動機相比，HD電動機銅耗小，溫升低，因而效率高。與采用永久磁鐵的VR型電動機相比，則電流一轉矩特性的線性度好。三是高剛度、高精度。旋轉式HD電動機采用雙列式滾動軸承，因而剛度高，且電動機可直接與負載連接，系統的定位精度高；四是中空穴結構。旋轉式HD電動機采用中空穴結構，其中間可以通過配線、配管，因而使整個電機更趨于合理、緊湊。<BR> HD電動機應用領域很廣，特別是在高精度的機床設備以及機器人上的應用尤為突出，如：<BR> 機床工作臺驅動<BR> 直線電動機的自身質量小，產生的推力由于直接作用在移動物體上，故可得到高效率的驅動特性。日本神鋼電機株式會社采用HD型直線電動機驅動高速多工序自動數控機床（M/C）工作臺，其被驅動部分的質量為255kg。試驗結果表明：最大加速度為1.3g，速度閉環(huán)的帶寬為150Hz,而傳統的旋轉電動機加變速裝置方式僅為0.3g和80Hz。<BR> 立式磨床的主軸驅動<BR> 日本一些公司已經在高精度的立式磨床上使用HD電動機進行主軸驅動。它與傳統的皮帶驅動相比，可得到振動小、平穩(wěn)的旋轉特性以及高精度的加工品質，同時由于沒有齒輪、皮帶輪、皮帶等轉動部件，因而噪聲小，可靠性高，既節(jié)約了能源，又提高了效率。<BR> 振動試驗裝置<BR> 在進行動力學研究時，需要使用振動試驗裝置，過去一直使用油壓方式的傳動機構，由于需要油壓泵，蓄電池等大型設備，因而維修復雜，能量效率低，且控制復雜。由于HD技術的出現，大推力直線電機的制造已成為可能，用HD型電動機制成的振動試驗裝置，具有良好的線性特性高速性能。在5Hz以下的頻率范圍可得到良好的力控制以及加速度控制特性。這種振動試驗裝置，目前在日本已進入實用。<BR> 移動機器人<BR> 清潔室內搬運的機器人，通常采用輪式的HD型DD電動機作為驅動輪。該電動機內部裝有制動器，轉子外圓直接安裝在輪胎上，對車輪進行驅動，故可獲得低污染、低噪聲以及平滑的機械特性和良好的控制性。<BR> HD電動機由于具有高剛性、高精度、無刷化以及小型大轉矩化的特點，因而是很有發(fā)展前途的高技術產品。<BR> 其它微特電機<BR> 片狀微電機<BR> 通常，把微小型化、采用片狀線圈、軸向磁路結構的微電機稱之為片狀微電機。片狀微電機是八十年代初期發(fā)展起來的一種新型電機，它一出現就獲得電唱機、盒式錄音機、錄象機、攝像機等音響、錄象設備AV（即Audio-Video）制造廠商的青睞，近年來發(fā)展到軟盤驅動器等計算機外部設備。這種片狀微電機對電子產品的小型化發(fā)展十分有益。<BR> 目前，片狀微電機的應用范圍廣，特別是在OA、HA市場上有著廣泛的應用。如用于HDD、FDD以及LBP的主軸驅動等；用于盒式錄放機、隨身聽、盤式磁帶機、卡拉OK機、DAT、汽車立體聲、卡式CD、攜帶式CD以及MD唱機的輸帶、卷盤等，需求量相當可觀。有關專家預測，到21世紀，全世界片狀微電機的應用化程度可形成數百億元的市場規(guī)模。<BR> 超微電動機<BR> 所謂超微電動機，是指那些形狀非常小（1mm）以下、重量很輕，并且在同一塊基板上（硅或其它材料），采用微電子技術和微加工技術制造出的電機一體化傳動裝置。<BR> 超微電動機的應用前景是十分廣闊而誘人的，特別是在人們尚未充分認識的微環(huán)境下，有待不斷開創(chuàng)發(fā)展。采用超微電動機和其它微電子機械制成的微型機器人，可進入人體內部探查病灶，實施手術；超微電動機可與集成電路制成的各種專門器件，在光通訊、航天、航空、計算機等領域更有重大的應用價值。<BR> 鞭毛電動機<BR> 鞭毛電動機是細菌在水中用于游動而使用的分子機械（由蛋白質分子而形成的機械）。鞭毛電動機在生物界中是唯一的旋轉電動機，也是世界上最�。ㄖ睆�50nm）的電動機。 據國外研究資料表明，鞭毛是從數um大小的菌體中產生的，鞭毛長度大體上從數um到10um之間，直徑僅20um左右。從電子顯微鏡中可看出，鞭毛電動機的能量是從細胞外面到內部的離子流中獲得的。<BR> 未來鞭毛電動機將廣泛地應用于生物領域，科學家們設想開發(fā)活體執(zhí)行器�，F在的電磁電機重量輕，由于傳輸電力和信號需要很多的導線，因而在微觀世界上無法應用。<BR> 球形電動機<BR> 隨著機械系統日益復雜化，尤其是對機器人、機械手等精密裝置的性能要求越來越高，傳統的單自由度的驅動電機，要實現二個自由度以上的運動需要二個或多外伺服電機通過復雜的機械連續(xù)實現，這不僅造成機械手體積大、重量重，而且系統的動態(tài)和靜態(tài)性能差。而球形電機可作三自由度運動，大大的簡化機械系統的結構，體積小、重量輕，系統的動態(tài)、靜態(tài)情能高，因此在機器人、機械手、火炮炮塔轉臺等需作多自由度運動的場合有較大的應用價值。<BR> 微電機發(fā)展趨勢<BR> 隨著科技的發(fā)展，未來微電機涉及的學科將更加廣泛，其發(fā)展趨勢將是集成和優(yōu)化。同時，微電機將向著生物領域和芯片領域進軍。微電機行業(yè)也將隨著新技術、新材料的采用而注入更強的生命力。
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