淺析電磁微電機的設(shè)計與制造技術(shù)

肖堯　陳世杰

摘 要：隨著我國經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展以及電氣工程技術(shù)的不斷進步，微電機行業(yè)迎來了一個空前的繁榮時期，電磁微電機作為控制系統(tǒng)或者電力傳動系統(tǒng)的主要原件被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化的自動設(shè)備當(dāng)中。其中電磁微電機是微電機家族中的新成員，它利用先進的電動磁學(xué)原理用于實現(xiàn)機電信號的檢測、解析運算、執(zhí)行或轉(zhuǎn)換等功能。本文就依據(jù)微電機的結(jié)構(gòu)與功能等方面淺析電磁微電機的設(shè)計與制造技術(shù)，希望對現(xiàn)實中的工業(yè)化體系建設(shè)有所幫助。

關(guān)鍵詞：電磁微電機；設(shè)計制造；電氣工程；平面線圈

1 引言

微電機作為支撐我國國民經(jīng)濟高速發(fā)展與技術(shù)產(chǎn)業(yè)不斷進步的重要支柱，在我國已經(jīng)經(jīng)歷了六十多年的發(fā)展，在上個世紀五十年代，為了滿足我國軍工企業(yè)與自動化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，我國的微電機發(fā)展經(jīng)歷了國外引進、模仿制造、自主開發(fā)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，已經(jīng)形成了包括產(chǎn)品開發(fā)、關(guān)鍵部件生產(chǎn)、專用制造等相互配套的完整的工業(yè)體系，是我國經(jīng)濟技術(shù)現(xiàn)代化發(fā)展歷程的縮影。與傳統(tǒng)的靜電微電機不同，電磁微電機具有轉(zhuǎn)換力矩大、轉(zhuǎn)換效率高、工作壽命長，便于維修管理等優(yōu)點，大有逐漸淘汰舊式微電機的趨勢。但是電磁微電機也具有許多缺點，如制造工藝復(fù)雜、直流損耗、IC工藝兼容性差等缺點都在一定程度上阻礙了電磁微電機的發(fā)展。

2 微電機簡介

微電機全稱為“微型電動機”，一般指轉(zhuǎn)軸直徑小于160mm或者輸出功率小于750W的電機，常用于控制系統(tǒng)或傳動負載系統(tǒng)中。微電機種類繁多，大體可分為直流電動機、交流電動機、步進電動機、旋轉(zhuǎn)變壓器等十三個大類別，微電機學(xué)科是一門綜合了多種學(xué)科的科學(xué)，尤其是材料學(xué)科的大發(fā)展以及先進的計算機自動化技術(shù)的運用大大加速了微電機科技的發(fā)展。從結(jié)構(gòu)上來說，大體可以將微電機分為三大類，即電磁式、組合式和非電磁式。電磁式與普通的電機相類似，包括定子，轉(zhuǎn)子，電刷等部件，唯一的區(qū)別就是內(nèi)部空間緊湊，體積較小。組合式微電機即為微電機與電子線路的組合，是一種相對較復(fù)雜的電機系統(tǒng)。非電磁式微電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電磁式微電機相似，但不同功能的微電機之間內(nèi)部結(jié)構(gòu)相差很大?？偠灾㈦姍C是技術(shù)密集型與勞動密集型的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，在現(xiàn)代工業(yè)體系中具有非常廣泛的運用。

3 電磁微電機設(shè)計技術(shù)

上海交通大學(xué)在電磁微電機的設(shè)計研發(fā)領(lǐng)域一直走在全國的前列，在1995年，相關(guān)專家首先設(shè)計出了一種單定子-單轉(zhuǎn)子的電磁微電機原理樣機，這是一種由直流電供能的，由本體與電子轉(zhuǎn)換器組成的微電機，開創(chuàng)了我國電磁微電機技術(shù)研發(fā)的先河。3相定子繞組的平面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，轉(zhuǎn)子磁矩布局圖如圖2所示。

經(jīng)過不斷改進，各種設(shè)計參數(shù)不斷得到優(yōu)化，使得電磁為電機的總體性能不斷改善。其主要的設(shè)計特點是：磁路的結(jié)構(gòu)設(shè)計與轉(zhuǎn)子選取的磁性材料有利于實現(xiàn)高力矩的輸出；定子繞組為平面無槽式的多層集中結(jié)構(gòu)，可微細加工。實驗數(shù)據(jù)表明，永磁轉(zhuǎn)子的選取與實際磁路設(shè)計最終會影響電機的輸出力矩，進而影響總體的輸出功率。轉(zhuǎn)子一般采用永磁性的釤鈷材料，將其切割成扇形片，按照N、S相互交錯的規(guī)律拼裝而成，也可以用專用的充磁裝置一次寫入相互交錯的磁極，這種方式的特點就是可以使磁極的剩余磁化率達到最大值。同時在轉(zhuǎn)子上部鋪設(shè)一層FeNi導(dǎo)磁層可以減少磁阻損失，提高氣隙磁通密度。氣隙磁通是關(guān)乎微電機性能的重要參數(shù)，主要包括定子與轉(zhuǎn)子之間猶豫計算誤差或者制作儀器誤差所產(chǎn)生的氣隙空間與定子繞組所占用的空間。為了增加輸出力矩和減少功耗，定子繞組通常被設(shè)計成多層結(jié)構(gòu)且厚度相對較厚，通常會大于氣隙的寬度，因此經(jīng)過實際的計算與分析，氣隙中的磁通密度與氣隙寬度往往會呈反比關(guān)系，即氣隙跨度越大，磁通密度越小，這就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子各層之間的磁通密度不同，這就給微電機的定子與轉(zhuǎn)子的實際設(shè)計帶來障礙，因此必須在設(shè)計之初必須考慮氣隙與定子層數(shù)之間的關(guān)系，做好相互之間的平衡。

經(jīng)過上幾代科學(xué)家的不斷努力，開發(fā)出了雙定子-單轉(zhuǎn)子電磁微電機模式，如圖3所示。

圖3雙電子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)微電機結(jié)構(gòu)示意圖

不同于單定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的微電機模式，這種微電機性能更加完善，雙定子繞組數(shù)倍增，大大提升了輸出的功率，且由于上下兩個轉(zhuǎn)子與中間的定子靜磁作用相互抵消，減小了定子與轉(zhuǎn)子之間的磁阻作用，減少了能量的損耗，增加了輸出力矩。

4 控制電路設(shè)計

當(dāng)今的步進電機技術(shù)雖然已經(jīng)趨向于成熟，但是在一些精度要求十分高的工業(yè)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的步進電機仍然無法出色地完成對步進電機的性能要求，當(dāng)電磁微電機用于步進驅(qū)動時，采用恒力矩細分控制方法控制步進電機的轉(zhuǎn)動是一種十分有效的控制步進電機轉(zhuǎn)動精度的方法。其基本原理就是利用對繞組中的電流的控制，通過一系列的電磁轉(zhuǎn)換合成幅值恒定、變化規(guī)律的合成磁場矢量，主要做法是通過單片機原件實現(xiàn)對精確電流的控制。單片機具有控制精度高，受外界干擾小的特點，用單片機作為主要的控制元件可是實現(xiàn)穩(wěn)定的電流的輸出。一般情況下采用Intel 80C196單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器等原件組成整個系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，利用單片機將E2ROM中存儲的電流信號輸送到D＼A轉(zhuǎn)換器中，再調(diào)節(jié)D＼A轉(zhuǎn)換器中的參考電壓得到我們需要的電流幅值。這個系統(tǒng)可以利用計算機系統(tǒng)，將計算機鍵盤作為控制單片機的工作狀態(tài)、D＼A轉(zhuǎn)換器的電壓值、運轉(zhuǎn)頻率、正＼煩轉(zhuǎn)等的輸入設(shè)備，并在LCD顯示器上顯示出當(dāng)前的相電流大小、運行步數(shù)、起＼停狀態(tài)等相應(yīng)的狀態(tài)。

5 定子微細加工工藝

定子是電磁微電機中不可或缺的一部分，對定子的微細加工可以大大提高輸出力矩，在輸出功率一定的情況下減少能源損耗，進而提升整個電機的工作效率。Φ1mm電磁微電機4層6繞組型號的定子微細加工工藝流程如下：在鐵氧體襯底上濺射一層厚度為80nm的鉻-銅合金，用來作為電鍍基底；在電鍍基層上旋涂光刻膠，利用計算機控制的激光進行光刻，雕刻出銅線圈的電鍍模型；利用掩膜技術(shù)電鍍上一層銅金屬，并嚴格控制電鍍的速率，一般在一分鐘50納米的速度，厚度控制在10-12米的范圍內(nèi)；旋涂8米的光刻膠，再利用激光技術(shù)光刻成銅線圈層間過孔引線的電鍍膠膜；電鍍形成6米的過孔引線；去膠并濺射刻蝕去除種子層；再在表面濺射16-18米的鋁的氧化物三氧化二鋁，作為整個定子的防氧化層，此外應(yīng)該嚴格控制濺射頻率、濺射室內(nèi)的壓強、最大濺射速率等，確保建設(shè)的三氧化二鋁能夠均勻的分布在定子上；再經(jīng)過精細的研磨與拋光，直到露出層間互連線。以上介紹的就是一套完整的定子平面線圈的制造過程，在實際操作過程中應(yīng)該嚴格按照以上的操作步驟進行加工整理，要想制作多層線圈可以重復(fù)以上的步驟。

“嵌入式”定子繞組的制作工藝與以上的4相6組定子制作工藝有所不同，在整個工藝中加入了鎳-鐵合金貼心的制作工藝。采用掩膜電鍍的工藝可以實現(xiàn)鎳-鐵合金的電鍍，具體電鍍條件是在硫酸鎳、氯化鎳和硫酸鐵按1：1：1的比例制成的混合液中，加入一些其他的催化劑，并將PH值控制在5-6之間，溫度控制在四十度，且誤差不能超過兩度，相對磁導(dǎo)率控制在8000-9000之間。

6 結(jié)語

本文通過對電磁微電機基本功能與設(shè)計特點的介紹，重點論述了微電機的設(shè)計與制造技術(shù)，希望對現(xiàn)實中的電磁微電機的制造有指導(dǎo)意義。盡管最近幾年電磁微電機被廣泛應(yīng)用于微型機器人、無人機、微型光開關(guān)等設(shè)備中，貌似前景大好，但是經(jīng)過我們實際的調(diào)查與研究，在實用方面電磁微電機并沒有取得什么實際的突破，僅僅是在傳統(tǒng)的微電機上進行了一些局部結(jié)構(gòu)的改變，并無革命性的創(chuàng)新。但是，時代在發(fā)展，歷史在進步，隨著材料科學(xué)以及計算機硬件與軟件的發(fā)展，電磁微電機一定會迎來一個發(fā)展的春天。

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