| 國(guó)外微電機(jī)技術(shù)動(dòng)態(tài)
李興根(浙江大學(xué)杭州 310027)
【摘 要】綜述了有關(guān)微電機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、新材料應(yīng)用和發(fā)展的國(guó)外****技術(shù)動(dòng)態(tài)。
1 微電機(jī)產(chǎn)品向短小輕薄化方向發(fā)展
電機(jī)的短小輕薄化是為了滿(mǎn)足其應(yīng)用機(jī)器的小型化、薄型化的要求。以軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(FDD)為例，由于電機(jī)要裝入個(gè)人微機(jī)內(nèi)，因此縮小電機(jī)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(xiàn)在的88．9mm(3．5英寸)FDD，充分說(shuō)明了FDD的小型化、輕量化動(dòng)向。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器的小型化、輕量化、薄型化，相對(duì)要解決的技術(shù)難題集中到三個(gè)方面：①主軸電機(jī)等的薄型化。②緊固結(jié)構(gòu)的小型化、薄型化。③電路板的簡(jiǎn)化。其中第一、二兩條與電機(jī)直接有關(guān)。關(guān)于電路板，正在力圖使電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、讀寫(xiě)系統(tǒng)等各種機(jī)能由相應(yīng)的專(zhuān)用IC完成，如果再進(jìn)一步LsI化，就可以大幅度地小型化。但在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)，電機(jī)基本上總要占有一定的空間，因此與電路相比，電機(jī)在小型化方面就不那么容易，可見(jiàn)機(jī)器的小型化關(guān)鍵在于電機(jī)。
多年來(lái)，國(guó)外廠商對(duì)縮小電動(dòng)機(jī)的體積一直十分重視。隨著辦公自動(dòng)化、家用電器與醫(yī)療器械的小型化，各類(lèi)用戶(hù)越來(lái)越期望電動(dòng)機(jī)廠商能提供體積小的電動(dòng)機(jī)。世界直流微電機(jī)主要廠商、日本萬(wàn)寶至電動(dòng)機(jī)公司(Mabuchi Motor Co．)看到了不斷微型化是一種發(fā)展趨勢(shì)，故卜分重視其直流微電機(jī)產(chǎn)品的微型化。該公司新開(kāi)發(fā)的一種小型電動(dòng)機(jī)可使旅行用電動(dòng)牙刷小到像一支鋼筆那樣供人隨身攜帶。瑞士微型電動(dòng)機(jī)公司開(kāi)發(fā)的供醫(yī)療器械使用的直流電動(dòng)機(jī)小如蜜蜂。在美國(guó)的帕納索尼克實(shí)業(yè)公司(Panasonic：Industry)成功地開(kāi)發(fā)出一種省空問(wèn)的電動(dòng)機(jī)系列，此種電動(dòng)機(jī)很薄(采用扁平轉(zhuǎn)子)，適于裝入不能容裝常規(guī)長(zhǎng)形電動(dòng)機(jī)的空間內(nèi)。美國(guó)杜克(Duke)大學(xué)研制過(guò)直徑小到1mm的超微電磁電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)小到可進(jìn)入人體動(dòng)脈與其它小部位進(jìn)行工作。美國(guó)也正在用硅與氧化物沉積在底材上的方法研制細(xì)如發(fā)絲的極小型靜電電動(dòng)機(jī)，這種微電機(jī)在醫(yī)療通訊與制造(微裝配)方面具有重大應(yīng)用價(jià)值，它可靈敏地測(cè)量人體血液的化學(xué)狀態(tài)，可用于切割血管內(nèi)障礙物的螺旋形細(xì)刀，可用于精密裝置以分選出人體的各個(gè)細(xì)胞(例如計(jì)算出白血球數(shù)量)，從而可進(jìn)行各種診斷化驗(yàn)。H本東芝公司研制出兩類(lèi)超微電動(dòng)機(jī)，徑向氣隙電動(dòng)機(jī)與軸向氣隙電動(dòng)機(jī)，前者的外徑為3mm，全長(zhǎng)為5mm：后者的定轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)，這種毫米級(jí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩相當(dāng)于體積為其10倍的小型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。德國(guó)一家微型技術(shù)研究所最近展出一種直徑只有2mm的電動(dòng)機(jī)，這一新展品具有足夠的動(dòng)力可帶動(dòng)其它機(jī)械．其轉(zhuǎn)速很高，可用于外科手術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)中。
2微電機(jī)生產(chǎn)向規(guī)模化、自動(dòng)化方向發(fā)展
日本曾成功地在美國(guó)銷(xiāo)售微型電動(dòng)機(jī)，是由于日本廠商用了大量代價(jià)建立起高生產(chǎn)率、大規(guī)模的新式的微電機(jī)工廠，因而日本制造電動(dòng)機(jī)的成本僅為美國(guó)的三分之一，大量的差價(jià)主要是由于大量生產(chǎn)帶來(lái)的好處。
為了降低制造成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量，配合微電機(jī)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的需要，目前采用的一個(gè)最普遍和行之有效的措施就是生產(chǎn)自動(dòng)化，多年來(lái)。國(guó)外廠商對(duì)微電機(jī)制造工藝與設(shè)備的發(fā)展作出了大量投入，只要力所能及，就采用成套自動(dòng)化生產(chǎn)線。
近年來(lái)，國(guó)外對(duì)技術(shù)革新與自動(dòng)化生產(chǎn)的意義的認(rèn)識(shí)正在更新。過(guò)去，人們認(rèn)為技術(shù)革新與自動(dòng)化生產(chǎn)的意義主要表現(xiàn)在提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本與解放勞動(dòng)力�，F(xiàn)今，這一意義已擴(kuò)大，它還包括提供均一、高質(zhì)產(chǎn)品，免去培訓(xùn)需要高技能的操作人員與加快投資的回收等。美國(guó)uppco公司認(rèn)為，如果生產(chǎn)出來(lái)的電動(dòng)機(jī)有缺陷，這不單有電動(dòng)機(jī)報(bào)廢所帶來(lái)的成本，而且也有浪費(fèi)時(shí)間、組件中其它部件得不到使用以及浪費(fèi)、管理等問(wèn)題。解決這些問(wèn)題乃是開(kāi)展技術(shù)革新與促進(jìn)生產(chǎn)自動(dòng)化的重要方面。
國(guó)外廠商對(duì)電機(jī)生產(chǎn)的技術(shù)革新與自動(dòng)化采取了很多措施，美國(guó)Uppco公司設(shè)計(jì)的所有加工方法均考慮到自動(dòng)化與大批量生產(chǎn)，這使該公司近年的日產(chǎn)量提高20％～30％；美國(guó)Mallory Times公司Emhart電力和電子集團(tuán)的經(jīng)理蓋姆斯·海因談到有關(guān)該公司在Sparta生產(chǎn)定時(shí)器用的減速同步電動(dòng)機(jī)工廠的情況時(shí)說(shuō)：“以前需要20個(gè)以上的裝配工，而現(xiàn)在采用自動(dòng)化生產(chǎn)僅需要幾個(gè)人管理。調(diào)整工藝的收獲是巨大的，除了節(jié)省勞動(dòng)力以外，總的來(lái)說(shuō)是產(chǎn)品質(zhì)量提高、廢品減少了”。據(jù)報(bào)道，日本安川電機(jī)制作所東京工廠的生產(chǎn)自動(dòng)化的特點(diǎn)是采用大量機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)、試驗(yàn)等都已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，故能大幅度提高質(zhì)量；鐵心的制造采用沖剪、疊片、夾緊一次完成，軸加工用數(shù)控機(jī)床及專(zhuān)用機(jī)床，槽絕緣采用熔槽絕緣，繞線則使用該廠發(fā)明的繞線機(jī)，浸漆后用紅外線烘干，電動(dòng)機(jī)組裝后由機(jī)器人充磁，然后磨電刷與換向器間接觸面，再用自動(dòng)試驗(yàn)裝置測(cè)試電機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，并將數(shù)據(jù)打印出來(lái)。
3縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，加快新產(chǎn)品的推出，增強(qiáng)市場(chǎng)的快速反應(yīng)能力
由于產(chǎn)品的市場(chǎng)壽命短，以及國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，產(chǎn)品趨于多樣化，為廠在這一競(jìng)爭(zhēng)中取勝，國(guó)外各廠家都競(jìng)相建立柔性制造系統(tǒng)。
國(guó)外廠商對(duì)加速電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與縮短產(chǎn)品推出周期高度重視。他們使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造與計(jì)算機(jī)輔助工程(cAD、cAM、CAE)等計(jì)算機(jī)技術(shù)加快與改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程，縮短樣機(jī)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(shè)計(jì)方略。美國(guó)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(lái)達(dá)到目的。前者要求開(kāi)發(fā)項(xiàng)目在開(kāi)始階段有深思熟慮的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)規(guī)劃，足夠的資源配置，有確定項(xiàng)目各個(gè)方面能在規(guī)定的時(shí)間框架內(nèi)完成的計(jì)劃。后者則實(shí)行并行處理項(xiàng)目的所有工程，將設(shè)計(jì)部門(mén)、制造部門(mén)與客戶(hù)在研究過(guò)程之初就集中一起開(kāi)展工作，發(fā)揮cAD的作用，讓工程技術(shù)人員可及時(shí)參考任一電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與鑒定每一個(gè)編入的參數(shù)。該公司稱(chēng)此法可提高其提交首臺(tái)樣機(jī)就符合要求的能力，使新產(chǎn)品在最短的時(shí)間內(nèi)就可設(shè)計(jì)好，并投產(chǎn)。美國(guó)艾默生電動(dòng)機(jī)公司為加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)而采用的新技術(shù)，包括用cAD技術(shù)設(shè)計(jì)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(jī)。該機(jī)能以液態(tài)聚合物制出復(fù)雜的模型，且加快原型機(jī)的制作時(shí)間。工作人員可將由計(jì)算機(jī)制作的三維固態(tài)模型加載于立體平板印刷機(jī)上，幾小時(shí)后就可獲得一個(gè)實(shí)用零件，該零件可以是功能模型，可預(yù)檢測(cè)，或作美學(xué)觀測(cè)，這就無(wú)需制作模子。
4新型材料的應(yīng)用
在微電機(jī)中大力采用可取代金屬材料的工程塑料與應(yīng)用高性能釹鐵硼永磁材料。
在國(guó)外，工程塑料在電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用正在快速發(fā)展。由于工程塑料具有較高的強(qiáng)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(dǎo)電、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，使它日益成為取代金屬材料的理想材料．可應(yīng)用于各種小功率電機(jī)中。美國(guó)Paragon電氣公司的****產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師說(shuō)：“我們考慮采用塑料，在齒輪箱中取消鋼材，僅是軸銷(xiāo)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(guó)外很多廠商正以各種方法在小電機(jī)中嘗試或正式應(yīng)用工程塑料。到目前為止，可以應(yīng)用工程塑料制成的電動(dòng)機(jī)零部件與組合件，計(jì)有端蓋與機(jī)座、定子絕緣、轉(zhuǎn)子絕緣、機(jī)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(fēng)扇罩、扇葉、齒輪裝置與制動(dòng)片等。其中美國(guó)杜邦公司大力幫助不少?gòu)S商將工程塑料產(chǎn)品應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)中，日本松下電氣公司新開(kāi)發(fā)的家電用塑封電動(dòng)機(jī)與汽車(chē)用塑封電動(dòng)機(jī)采用了該公司自行開(kāi)發(fā)的工程塑料，以及日本電動(dòng)機(jī)研究開(kāi)發(fā)中心近年開(kāi)發(fā)出一種采用工程塑料的制動(dòng)片，供該中心生產(chǎn)制動(dòng)電機(jī)使用等幾例較為突出。
近年，國(guó)外永磁材料的發(fā)展很快，其中尤以1983年問(wèn)世的高性能釹鐵硼永磁材料的發(fā)展最快，最為引人注目。由于釹鐵硼永磁材料具有優(yōu)異的磁特性，它在電機(jī)中的應(yīng)用頗具吸引力。采用釹鐵硼永磁材料制造的電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)矩高、效率高、動(dòng)力性能好以及體積小、重量輕等特點(diǎn)，很適應(yīng)現(xiàn)代化電器與電子設(shè)備向短、小、輕、薄以及高效節(jié)能方向發(fā)展的需要。目前，釹鐵硼永磁材料在小功率電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在直流電動(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用取得了突破性發(fā)展，在其它類(lèi)型電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用也在逐步取得進(jìn)展。
5 電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制電路向集成化、專(zhuān)用化和機(jī)電一體化方向發(fā)展
隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，不能再以傳統(tǒng)的電機(jī)觀念考慮電機(jī)的發(fā)展，只有把電子技術(shù)同電機(jī)結(jié)合起來(lái)，才能開(kāi)發(fā)全新性能的新一代產(chǎn)品。機(jī)電一體化就是把傳統(tǒng)電機(jī)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是最終實(shí)現(xiàn)智能化的功能單元的必由之路。
隨著小型和微型電機(jī)的機(jī)械裝置(應(yīng)用機(jī)器)的種類(lèi)不斷增多．從錄音機(jī)、電唱機(jī)、攝錄像機(jī)、照相機(jī)、鐘表、洗衣機(jī)等與生活密切相關(guān)的家電用品到打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等辦公機(jī)械以及計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、汽車(chē)等都與之密切相關(guān)。它們所用的電機(jī)的類(lèi)型眾多，要對(duì)它們進(jìn)行高性能的驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化，一般采用包含多個(gè)電子元件的集成電路芯片，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)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(qū)動(dòng)電路一同制作在一個(gè)芯片上，用作電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制，一般可以裝在電機(jī)內(nèi)部形成一體化裝置。如直接驅(qū)動(dòng)電唱機(jī)及驅(qū)動(dòng)軟磁盤(pán)主軸電機(jī)的集成電路，在同一芯片上有弱信號(hào)處理單元，也有輸出功率單元。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用lc后，****的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)化，有利于“小型、輕量、薄型化”，還可以使驅(qū)動(dòng)精度和可靠性提高，成本降低，加快新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。如采用專(zhuān)用的速度控制IC，就沒(méi)有必要再自行設(shè)計(jì)特別的電路。最近，微型和小型電機(jī)在應(yīng)用功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管和控制邏輯電路的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步按用途把這些元件裝成一體，稱(chēng)為智能終端型。采用了這種Ic后，負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路部分更小型化，從而實(shí)現(xiàn)整臺(tái)機(jī)器的小型化。最早采用的一個(gè)實(shí)例是索尼的小型直流放音機(jī)用了Motorola的MPcl715FU。另一種主軸電機(jī)控制器，它用一個(gè)伺服系統(tǒng)執(zhí)行改變主軸轉(zhuǎn)速等動(dòng)態(tài)任務(wù)，如美國(guó)NS公司的LM621／621A伺服控制器和Motorola公司的MC33030直流伺服電機(jī)控制器／驅(qū)動(dòng)器，LsI計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司推出的L$7263，專(zhuān)用于運(yùn)動(dòng)控制，還能對(duì)繞組、驅(qū)動(dòng)器、電源提供過(guò)電流保護(hù)。
6新型電機(jī)的開(kāi)發(fā)
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)微電機(jī)的要求也越來(lái)越高。人們開(kāi)始發(fā)現(xiàn)以往的電機(jī)(指基于電磁原理的電氣電機(jī))有各種局限性。近年人們借助微電子技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等。開(kāi)發(fā)研究出不少新原理的微電機(jī)，一些非電磁原理的微電機(jī)的開(kāi)發(fā)工作也取得了很大的發(fā)展，并且在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。具有代表性的，并已實(shí)用化的是超聲波電機(jī)，除此以外，其它各種原理的微電機(jī)也在逐漸趨向?qū)嵱没?/DIV>
6．1超聲波電機(jī)
超聲波電機(jī)是利用驅(qū)動(dòng)部分(壓電陶瓷元件的超聲波振動(dòng))和移動(dòng)部分之問(wèn)的動(dòng)摩擦力而獲得運(yùn)轉(zhuǎn)力的一種新原理電機(jī)。這種電機(jī)沒(méi)有繞組和磁場(chǎng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。與以往的電機(jī)比較，超聲波電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、單位體積獲得的力矩大、響應(yīng)速度快和沒(méi)有電磁噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換效率低，轉(zhuǎn)速為100～200r／min，適用于低速運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。
目前，超聲波電機(jī)在日本已產(chǎn)品化，采用超聲波電機(jī)的例子有自動(dòng)聚焦照相機(jī)的望遠(yuǎn)鏡頭驅(qū)動(dòng)部(佳能EOs)，它是在鏡頭外圍配置外徑77mm的杯狀超聲波電機(jī)。
6．2靜電電機(jī)
這是利用電場(chǎng)和電荷之間的動(dòng)力的一種電機(jī)，其實(shí)這種設(shè)想很早就有，而直到如今才有試制品問(wèn)世。不論是細(xì)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(jī)。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的理查德·馬拉教授試制了一種電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑為60～120／μm、厚度2μm。一個(gè)試制品中有12個(gè)定子電極作圓形配置，定子中央設(shè)置十字形轉(zhuǎn)子，采用光刻方法在si基板上產(chǎn)生多結(jié)晶si、si3N4、SiO2、PSG等部件依次重疊制成。盡量設(shè)法減少定子摩擦，結(jié)果用200V電壓能達(dá)到1 50r／min轉(zhuǎn)速。應(yīng)用實(shí)例是使用顯微鏡進(jìn)行顯微手術(shù)。
6．3仿生電機(jī)
對(duì)仿生電機(jī)有各種設(shè)想，其中之一是利用細(xì)菌轉(zhuǎn)動(dòng)鞭毛的原理，但現(xiàn)在還處于單純的構(gòu)思階段。而作為邁向仿生電機(jī)的初級(jí)階段，是利用高分子凝膠作為調(diào)節(jié)器的開(kāi)發(fā)和研究，目前這項(xiàng)研究正在進(jìn)行之中，這是利用高分子的機(jī)械一化學(xué)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(chǎng)，凝膠就收縮彎曲。這是由于加上直流電場(chǎng)的凝膠內(nèi)部離子發(fā)生移動(dòng)，PH值發(fā)生變化，高分子電荷的平衡變化產(chǎn)生收縮。軟調(diào)節(jié)器就是利用這種現(xiàn)象的電刺激驅(qū)動(dòng)的。
6．4形狀記憶合金電機(jī)
這是一種感溫電機(jī)，是利用某種金屬加溫后能恢復(fù)成原來(lái)的形狀的記憶性質(zhì)制成的電機(jī)。
6．5光熱電機(jī)
日本安川電機(jī)制作所試制出一種磁性材料(NdCO5或其中添加AL、Fe等物質(zhì))，把這種磁性材料放在磁場(chǎng)中磁化方向會(huì)隨溫度變化，利用這種性質(zhì)制作光熱電機(jī)。當(dāng)用117w紅外線聚光燈加熱時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)450r／min。用40W燈時(shí)．轉(zhuǎn)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(yáng)能或工廠的余熱時(shí)，這種電機(jī)還是有利用價(jià)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(jī)及其控制。 |
