微電機的應用現狀及發(fā)展趨勢分析

牛學鋒 牛冬梅 朱書杰

（1.西安郵電大學，陜西 西安710121；2.中船重工東儀科工集團有限公司，陜西 西安710061）

0 引言

隨著我國工業(yè)化與信息化深度融合國家戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進，微電機的研發(fā)與制造行業(yè)取得了長足的發(fā)展。微電機伴隨著我國的工業(yè)自動化、武器裝備現代化、農業(yè)現代化、辦公自動化、家庭現代化的進行正大量應用到各個領域。作為這些領域支撐技術和系統(tǒng)中不可缺少的執(zhí)行元件和動力元件，現代微電機已發(fā)展為先進制造技術和新興電子信息技術緊密結合的高新技術產品，其研發(fā)思路也由零件級產品上升到系統(tǒng)級層面。這不僅對現代微電機的設計、生產提出了更高的要求，同時也提供了更廣闊的應用空間?！笆濉逼陂g國家提出重點發(fā)展新型節(jié)能微電機技術，結合國家政策方向，分析我國微電機研制、生產及應用現狀，發(fā)現其中的不足，并找出后續(xù)發(fā)展方向具有重要的實踐意義。

1 微電機的應用現狀

1.1 微電機在家用電器領域的應用

微電機在社會各領域的應用分布情況與生產力發(fā)展水平是相適應的，據最新的統(tǒng)計結果顯示，目前我國在家用電器領域的微電機使用量占總量的23%。[1]家用電器用微電機作為我國微電機研發(fā)制造業(yè)中的主導產品，其種類眾多，生產應用數量龐大。應用到的主要家電產品有空調、電冰箱、電風扇、洗衣機、微波爐、跑步機、吸塵器、抽油煙機、洗碗機、豆?jié){機、榨汁機、電動牙刷、電吹風、廚房廢物處理器、攪拌器等。據國家統(tǒng)計局數據顯示，2014年上半年，我國空調產量為8840.29萬臺，同比增長16.31%；冰箱產量為5051.75萬臺，同比增長0.71%；冷柜產量為1026.85萬臺，同比增長1.39%；洗衣機產量3276.80萬臺，同比下降3.59%。[2]可以看出，家電行業(yè)和企業(yè)在全球產業(yè)中的比重和作用不斷擴大。同時，新興家電如凈水器、空氣凈化器等產品也正大量進入家庭使用。家用電器在城市家庭的使用量日益增加的情況下，其在農村市場的使用也正在快速拓展，家用電器產品應用市場的不斷發(fā)展壯大也促使配套用微電機的同步增長。

1.2 微電機在汽車領域的應用

家庭用汽車的普及促進了汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，同時也帶動了汽車用微電機產業(yè)的發(fā)展。微電機是汽車上的關鍵零部件之一，其主要分布于汽車的發(fā)動機、底盤、車身三大部位及附件中，在電動汽車結構中電機還作為動力系統(tǒng)核心部件?，F在的汽車車窗、門鎖、后視鏡等系統(tǒng)，都使用電機驅動。隨著電子技術在汽車上的廣泛應用，微電機也在汽車信息系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、汽車音響、車載通信系統(tǒng)等方向得到應用。據統(tǒng)計，每輛經濟型汽車配備30臺以上微電機，高級轎車至少配備60臺以上微電機，豪華型轎車配備近百臺小微電機，汽車用微電機占總需求量的26%左右。據工信部發(fā)布2014年全年汽車工業(yè)經濟運行情況數據顯示，2014年我國累計生產汽車2372.29萬輛，同比增長7.3%，銷售汽車2349.19萬輛，同比增長6.9%，產銷量保持世界第一。[3]以每輛車平均配備40臺微電機計，估計對微電機的需求量達到數十億臺以上。另考慮汽車的二級維修市場，還有約三成微電機等零部件的需求。

1.3 微電機在醫(yī)療設備、保健器材領域的應用

醫(yī)療設備、保健器材用微電機是微特電機主要應用領域之一。隨著人們生活水平的提升和健康意識的增強，醫(yī)院和家用的醫(yī)療及保健康復器材需要量迅速增長，與其配套的微特電機數量和品種也隨著快速增長。尤其是龐大的老齡化群體、慢性疾病、殘疾障礙及神經功能失調疾病的治療、康復，對器械的需求越來越迫切，促使醫(yī)療產業(yè)、康復保健產業(yè)加速發(fā)展和應用新技術，不斷開發(fā)新產品。具體應用涉及到人體疾病治療、康復、檢查、記錄、監(jiān)視、分析、整形美容等所使用的系統(tǒng)、設備、儀器、刀針及輔助設備。如核磁共振設備、心電圖機、全方位內窺鏡、電動離心機、電動吸引器、電動輪椅、電動搖床、牙鉆機等。由于醫(yī)用領域的特殊性，要求微電機具有微型化、低噪聲、運行平穩(wěn)、可靠性高的特點。

1.4 微電機在各類機械設備、機器人、武器裝備領域的應用

工業(yè)現代化和武器裝備現代化發(fā)展離不開微電機技術的現代化進步發(fā)展。在工業(yè)技術、信息技術全球化的今天，微電機在軍事、民用的各種現代化裝備及其控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用，如火炮控制、導彈制導、飛機自動駕駛、數控機床、無梭織機控制、工業(yè)縫紉機控制、遙測遙控等領域都大量使用了各種微電機。在實際應用中，微電機也由過去簡單的起動控制、提供動力的目的，發(fā)展到對其速度、位置、轉矩等的精確控制，特別是工業(yè)自動化、辦公自動化方面，幾乎都采用了電機技術、微電子技術和電力電子技術等相結合的機電一體化產品。該類微電機品種繁多，技術含量高，系統(tǒng)綜合程度高，不少是電機組件，按使用屬性分為信號類微電機、驅動執(zhí)行類微電機和機電組件一體化系統(tǒng)。

2 微電機行業(yè)發(fā)展中存在的問題

2.1 我國微電機與國外先進技術水平差距較大，缺乏創(chuàng)新

經過改革開放后30多年的快速發(fā)展，我國已經成為世界微電機生產大國，但技術水平與發(fā)達國家相比，仍有較大差距，主要表現在以下幾個方面：控制類微電機與工業(yè)發(fā)達國家相比，不管從電機可靠性還是性能指標仍有較大差距，其整體水平相當于國外20世紀80年代中后期水平。[4]工業(yè)用微型直流電機，國外可以做到壽命2000小時以上，而我國平均是1000小時，主要問題是電機結構工藝的不合理性及電刷材料等問題。國外無刷直流電機的效率可以做到80%以上，我國一般生產廠家只能達到60%～70%左右。步進電動機國外早已發(fā)展高性能的混合式結構，我國的混合式步進電動機在90年代才開始發(fā)展。在高性能、高技術含量電動機方面，如無刷直流電動機、交流伺服電動機、直線電機等方面差距更大一些。這主要是由于我國電子技術落后、投入不足和人才相對短缺造成的。

產量大而技術含量低是在中國微電機產業(yè)的基本狀況，大量企業(yè)缺乏獨立開發(fā)能力，基本以仿制為主，整個產業(yè)的產、學、研結合不理想，缺乏創(chuàng)新。

2.2 行業(yè)發(fā)展結構性問題突出，布局不合理

從我國微電機發(fā)展的綜合情況來看,經過多年的發(fā)展,目前已基本形成了包括廣州、深圳、珠海、香港在內的大珠江三角、江浙滬長三角和京津渤海三角等三個微電機產業(yè)帶,以及福建、山東、四川等熱點地區(qū)。目前來看，東部地區(qū)發(fā)展較快，中西部地區(qū)相對滯后，東部地區(qū)微電機工業(yè)總產值占整個電機工業(yè)總產值的70%，而中西部地區(qū)所占比重不到30%。這一現狀的形成受政策、地理環(huán)境條件等諸多因素地影響。由于微電機行業(yè)是勞動密集型行業(yè)，進入行業(yè)門檻較低，因此，容易出現低水平、同質化競爭現象，重復建設嚴重。而與此同時，不少新型微電機產品尚屬空白,技術提升緩慢。

2.3 市場調研度不夠，缺乏與相配套行業(yè)的互動溝通

在相對發(fā)達的信息社會的今天，市場需求千變萬化。微電機的研發(fā)與生產離不開與其緊密結合的市場應用領域。長期以來，微電機的研發(fā)與生產者對市場的關注程度不夠，未及時領略到其應用領域需求的快速變化，缺乏對新產品的開發(fā)，只注重自身的效益與發(fā)展，從而造成有些產品開發(fā)出來后無市場需求的情況。究其原因就是沒有考慮到外在需要的影響和對科研、開發(fā)和生產的拉動作用。

3 微電機發(fā)展趨勢分析

雖然我國微電機行業(yè)與國際水平還有一段差距，但其發(fā)展前景依然十分廣闊。

3.1 大力發(fā)展高效節(jié)能型微電機

高效節(jié)能是微電機總的發(fā)展趨勢，據統(tǒng)計數據顯示，我國電機用電量約占全國用電總量的60%。微電機使用量大面廣，節(jié)能潛力巨大。因此，電機系統(tǒng)節(jié)能工程被列為我國“十二五”十大重點節(jié)能工程之一，電機節(jié)能是國家節(jié)能減排工作的重點領域。隨著國家對節(jié)能減排各項舉措的積極推行及高效節(jié)能電機補貼政策的逐步落實，電機節(jié)能行業(yè)迎來了快速增長。工信部表示，2015年將落實專項資金補貼電機系統(tǒng)節(jié)能改造。為了實現高精度、低成本、低功耗的要求，微電機需要不斷開發(fā)各種新結構、使用新材料。同時要從電機驅動角度進行研究，改變傳統(tǒng)的電機控制和驅動系統(tǒng)結構，應用先進的控制算法。

3.2 微電機與減速器一體化設計

微電機一般為高速電機，在具體的應用領域往往需要與一套減速機構相結合，經過減速后，方可使用。而減速機構與電機的轉接往往增加了系統(tǒng)的體積，降低了可靠性，還降低系統(tǒng)效率和控制精度。有時受安裝空間的影響，要求體積要盡量減小，為了適應這一要求，并提高可靠性，國外研發(fā)人員進行了微電機與減速器的一體化設計，主要進行了微電機與行星齒輪減速器一體化設計、微電機與滾珠絲杠減速器一體化設計、微電機與蝸輪蝸桿減速器一體化設計。這些設計均做出了樣機，并進行了性能測試，但發(fā)現這樣的改進后，整個電機系統(tǒng)的頻帶過低，響應跟不上，設計人員一直在努力改進，國內尚未見到有相關的研發(fā)設計資料。

3.3 微電機的無刷化、微型化、永磁化發(fā)展

為降低微電機運行時的噪音，提高電磁兼容性能和電機可靠性，延長電機使用壽命，各國一直都在致力于發(fā)展各種無刷電機。但是，由于無刷電機所涉及的技術要求較高，要求掌握相關電機技術、硬件技術、軟件控制技術、傳感技術、稀土材料技術、大功率電子技術，目前國內市場大功率無刷電機產品還是比較少見，電子產品日益微型化的需要要求微電機向小型化、扁平化、輕量化方向發(fā)展。隨著微電機向微薄輕型化、無刷化和電子化的方向發(fā)展，永磁材料在微電機中的普遍應用已是必然趨勢。

3.4 發(fā)展微電機新型測試技術

隨著微電機不斷的向微型化方向發(fā)展，其建模、仿真、優(yōu)化設計的正確性、有效性，需要微機械性能評測技術加以評價。由于微電機的重要零部件十分微小，產生的運動、位移微乎其微，無法用傳統(tǒng)的測試方法測得相應指標。因此，必須開發(fā)微機械量傳感測量技術，以適應新的測試需求。

4 結論

作為在國民經濟中具有十分重要地位的微電機行業(yè)，其在國內及國際上的發(fā)展競爭十分激烈。正確認識我國微電機行業(yè)的發(fā)展現狀及不足，找準未來行業(yè)發(fā)展方向，對促進我國微電機行業(yè)的健康發(fā)展，使我國由微電機生產大國變?yōu)槲㈦姍C技術全國，具有十分重要的意義。

［1］我國微電機行業(yè)發(fā)展市場容量分析[OL].http∶//www.chyxx.com,2014,4∶24.

［2］2014上半年空調產量增長繼續(xù)領跑白電[OL].http∶//wwww.homea.hc360.com，2014,9∶2.

［3］2014年我國汽車產銷量世界第一[Z].工業(yè)和信息化部,2015(1)∶23.

［4］中國微電機行業(yè)“十一五”回顧及“十二五”規(guī)劃投資分析及前景預測報告[OL].http∶//www.qqfx.cpm.cn,2012,4.

［5］李朝東.微電機研究的最新動態(tài)與應用展望[J].微特電機,2003(1).

［6］李煌榮.關注醫(yī)療康復器械用微特電機的發(fā)展機遇[J].微特電機,2013(6).