微電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

牛學(xué)鋒等

【摘 要】工業(yè)化與信息化技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了微電機(jī)技術(shù)的發(fā)展?？偨Y(jié)了微電機(jī)在各相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了微電機(jī)行業(yè)在發(fā)展過(guò)程中的存在的一些問(wèn)題，并對(duì)微電機(jī)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)，指出高效節(jié)能化、機(jī)電一體化、直流無(wú)刷化已成為微電機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】微電機(jī)；應(yīng)用現(xiàn)狀；存在問(wèn)題；發(fā)展趨勢(shì)

Application Status and Development Trend Analysis of Micro-motor

NIU Xue-feng1 NIU Dong-mei2 ZHU Shu-jie2

（1.Xian University of Posts & Telecommunications， Xian Shaanxi 710121， China；

（2. The China Shipbuilding East Ika Industry Group co.， Ltd.， Xian Shaanxi 710061， China）

【Abstract】Industrialization and the rapid development of information technology to promote the development of micro-motor technology. This paper summarizes the application status of micro-motors in the relevant fields， and points out some problems in the micro motor industry development process， and micro-motor industry development trend analysis and prediction were pointed out energy efficient technology， mechatronics， brushless DC has become the development trend of micro-motor technology.

【Key words】Micro-motor； Application Status； Problems； Development Trend

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)化與信息化深度融合國(guó)家戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，微電機(jī)的研發(fā)與制造行業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。微電機(jī)伴隨著我國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化、武器裝備現(xiàn)代化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、辦公自動(dòng)化、家庭現(xiàn)代化的進(jìn)行正大量應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。作為這些領(lǐng)域支撐技術(shù)和系統(tǒng)中不可缺少的執(zhí)行元件和動(dòng)力元件，現(xiàn)代微電機(jī)已發(fā)展為先進(jìn)制造技術(shù)和新興電子信息技術(shù)緊密結(jié)合的高新技術(shù)產(chǎn)品，其研發(fā)思路也由零件級(jí)產(chǎn)品上升到系統(tǒng)級(jí)層面。這不僅對(duì)現(xiàn)代微電機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提出了更高的要求，同時(shí)也提供了更廣闊的應(yīng)用空間?！笆濉逼陂g國(guó)家提出重點(diǎn)發(fā)展新型節(jié)能微電機(jī)技術(shù)，結(jié)合國(guó)家政策方向，分析我國(guó)微電機(jī)研制、生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)其中的不足，并找出后續(xù)發(fā)展方向具有重要的實(shí)踐意義。

1 微電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 微電機(jī)在家用電器領(lǐng)域的應(yīng)用

微電機(jī)在社會(huì)各領(lǐng)域的應(yīng)用分布情況與生產(chǎn)力發(fā)展水平是相適應(yīng)的，據(jù)最新的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，目前我國(guó)在家用電器領(lǐng)域的微電機(jī)使用量占總量的23%。[1]家用電器用微電機(jī)作為我國(guó)微電機(jī)研發(fā)制造業(yè)中的主導(dǎo)產(chǎn)品，其種類(lèi)眾多，生產(chǎn)應(yīng)用數(shù)量龐大。應(yīng)用到的主要家電產(chǎn)品有空調(diào)、電冰箱、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、微波爐、跑步機(jī)、吸塵器、抽油煙機(jī)、洗碗機(jī)、豆?jié){機(jī)、榨汁機(jī)、電動(dòng)牙刷、電吹風(fēng)、廚房廢物處理器、攪拌器等。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2014年上半年，我國(guó)空調(diào)產(chǎn)量為8840.29萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)16.31%；冰箱產(chǎn)量為5051.75萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)0.71%；冷柜產(chǎn)量為1026.85萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)1.39%；洗衣機(jī)產(chǎn)量3276.80萬(wàn)臺(tái)，同比下降3.59%。[2]可以看出，家電行業(yè)和企業(yè)在全球產(chǎn)業(yè)中的比重和作用不斷擴(kuò)大。同時(shí)，新興家電如凈水器、空氣凈化器等產(chǎn)品也正大量進(jìn)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(nóng)村市場(chǎng)的使用也正在快速拓展，家用電器產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)的不斷發(fā)展壯大也促使配套用微電機(jī)的同步增長(zhǎng)。

1.2 微電機(jī)在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用

家庭用汽車(chē)的普及促進(jìn)了汽車(chē)行業(yè)的迅速發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了汽車(chē)用微電機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。微電機(jī)是汽車(chē)上的關(guān)鍵零部件之一，其主要分布于汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、車(chē)身三大部位及附件中，在電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)中電機(jī)還作為動(dòng)力系統(tǒng)核心部件。現(xiàn)在的汽車(chē)車(chē)窗、門(mén)鎖、后視鏡等系統(tǒng)，都使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。隨著電子技術(shù)在汽車(chē)上的廣泛應(yīng)用，微電機(jī)也在汽車(chē)信息系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車(chē)音響、車(chē)載通信系統(tǒng)等方向得到應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每輛經(jīng)濟(jì)型汽車(chē)配備30臺(tái)以上微電機(jī)，高級(jí)轎車(chē)至少配備60臺(tái)以上微電機(jī)，豪華型轎車(chē)配備近百臺(tái)小微電機(jī)，汽車(chē)用微電機(jī)占總需求量的26%左右。據(jù)工信部發(fā)布2014年全年汽車(chē)工業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況數(shù)據(jù)顯示，2014年我國(guó)累計(jì)生產(chǎn)汽車(chē)2372.29萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)7.3%，銷(xiāo)售汽車(chē)2349.19萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)6.9%，產(chǎn)銷(xiāo)量保持世界第一。[3]以每輛車(chē)平均配備40臺(tái)微電機(jī)計(jì)，估計(jì)對(duì)微電機(jī)的需求量達(dá)到數(shù)十億臺(tái)以上。另考慮汽車(chē)的二級(jí)維修市場(chǎng)，還有約三成微電機(jī)等零部件的需求。

1.3 微電機(jī)在醫(yī)療設(shè)備、保健器材領(lǐng)域的應(yīng)用

醫(yī)療設(shè)備、保健器材用微電機(jī)是微特電機(jī)主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著人們生活水平的提升和健康意識(shí)的增強(qiáng)，醫(yī)院和家用的醫(yī)療及保健康復(fù)器材需要量迅速增長(zhǎng)，與其配套的微特電機(jī)數(shù)量和品種也隨著快速增長(zhǎng)。尤其是龐大的老齡化群體、慢性疾病、殘疾障礙及神經(jīng)功能失調(diào)疾病的治療、康復(fù)，對(duì)器械的需求越來(lái)越迫切，促使醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、康復(fù)保健產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展和應(yīng)用新技術(shù)，不斷開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。具體應(yīng)用涉及到人體疾病治療、康復(fù)、檢查、記錄、監(jiān)視、分析、整形美容等所使用的系統(tǒng)、設(shè)備、儀器、刀針及輔助設(shè)備。如核磁共振設(shè)備、心電圖機(jī)、全方位內(nèi)窺鏡、電動(dòng)離心機(jī)、電動(dòng)吸引器、電動(dòng)輪椅、電動(dòng)搖床、牙鉆機(jī)等。由于醫(yī)用領(lǐng)域的特殊性，要求微電機(jī)具有微型化、低噪聲、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性高的特點(diǎn)。

1.4 微電機(jī)在各類(lèi)機(jī)械設(shè)備、機(jī)器人、武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用

工業(yè)現(xiàn)代化和武器裝備現(xiàn)代化發(fā)展離不開(kāi)微電機(jī)技術(shù)的現(xiàn)代化進(jìn)步發(fā)展。在工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)全球化的今天，微電機(jī)在軍事、民用的各種現(xiàn)代化裝備及其控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，如火炮控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機(jī)自動(dòng)駕駛、數(shù)控機(jī)床、無(wú)梭織機(jī)控制、工業(yè)縫紉機(jī)控制、遙測(cè)遙控等領(lǐng)域都大量使用了各種微電機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中，微電機(jī)也由過(guò)去簡(jiǎn)單的起動(dòng)控制、提供動(dòng)力的目的，發(fā)展到對(duì)其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等的精確控制，特別是工業(yè)自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化方面，幾乎都采用了電機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)等相結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品。該類(lèi)微電機(jī)品種繁多，技術(shù)含量高，系統(tǒng)綜合程度高，不少是電機(jī)組件，按使用屬性分為信號(hào)類(lèi)微電機(jī)、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行類(lèi)微電機(jī)和機(jī)電組件一體化系統(tǒng)。

2 微電機(jī)行業(yè)發(fā)展中存在的問(wèn)題

2.1 我國(guó)微電機(jī)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平差距較大，缺乏創(chuàng)新

經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放后30多年的快速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界微電機(jī)生產(chǎn)大國(guó)，但技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍有較大差距，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：控制類(lèi)微電機(jī)與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，不管從電機(jī)可靠性還是性能指標(biāo)仍有較大差距，其整體水平相當(dāng)于國(guó)外20世紀(jì)80年代中后期水平。[4]工業(yè)用微型直流電機(jī)，國(guó)外可以做到壽命2000小時(shí)以上，而我國(guó)平均是1000小時(shí)，主要問(wèn)題是電機(jī)結(jié)構(gòu)工藝的不合理性及電刷材料等問(wèn)題。國(guó)外無(wú)刷直流電機(jī)的效率可以做到80%以上，我國(guó)一般生產(chǎn)廠(chǎng)家只能達(dá)到60%～70%左右。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)國(guó)外早已發(fā)展高性能的混合式結(jié)構(gòu)，我國(guó)的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在90年代才開(kāi)始發(fā)展。在高性能、高技術(shù)含量電動(dòng)機(jī)方面，如無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直線(xiàn)電機(jī)等方面差距更大一些。這主要是由于我國(guó)電子技術(shù)落后、投入不足和人才相對(duì)短缺造成的。

產(chǎn)量大而技術(shù)含量低是在中國(guó)微電機(jī)產(chǎn)業(yè)的基本狀況，大量企業(yè)缺乏獨(dú)立開(kāi)發(fā)能力，基本以仿制為主，整個(gè)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合不理想，缺乏創(chuàng)新。

2.2 行業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)性問(wèn)題突出，布局不合理

從我國(guó)微電機(jī)發(fā)展的綜合情況來(lái)看，經(jīng)過(guò)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(nèi)的大珠江三角、江浙滬長(zhǎng)三角和京津渤海三角等三個(gè)微電機(jī)產(chǎn)業(yè)帶，以及福建、山東、四川等熱點(diǎn)地區(qū)。目前來(lái)看，東部地區(qū)發(fā)展較快，中西部地區(qū)相對(duì)滯后，東部地區(qū)微電機(jī)工業(yè)總產(chǎn)值占整個(gè)電機(jī)工業(yè)總產(chǎn)值的70%，而中西部地區(qū)所占比重不到30%。這一現(xiàn)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(jī)行業(yè)是勞動(dòng)密集型行業(yè)，進(jìn)入行業(yè)門(mén)檻較低，因此，容易出現(xiàn)低水平、同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重。而與此同時(shí)，不少新型微電機(jī)產(chǎn)品尚屬空白，技術(shù)提升緩慢。

2.3 市場(chǎng)調(diào)研度不夠，缺乏與相配套行業(yè)的互動(dòng)溝通

在相對(duì)發(fā)達(dá)的信息社會(huì)的今天，市場(chǎng)需求千變?nèi)f化。微電機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)離不開(kāi)與其緊密結(jié)合的市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。長(zhǎng)期以來(lái)，微電機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)者對(duì)市場(chǎng)的關(guān)注程度不夠，未及時(shí)領(lǐng)略到其應(yīng)用領(lǐng)域需求的快速變化，缺乏對(duì)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，只注重自身的效益與發(fā)展，從而造成有些產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出來(lái)后無(wú)市場(chǎng)需求的情況。究其原因就是沒(méi)有考慮到外在需要的影響和對(duì)科研、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的拉動(dòng)作用。

3 微電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)分析

雖然我國(guó)微電機(jī)行業(yè)與國(guó)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(jī)

高效節(jié)能是微電機(jī)總的發(fā)展趨勢(shì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)電機(jī)用電量約占全國(guó)用電總量的60%。微電機(jī)使用量大面廣，節(jié)能潛力巨大。因此，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程被列為我國(guó)“十二五”十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一，電機(jī)節(jié)能是國(guó)家節(jié)能減排工作的重點(diǎn)領(lǐng)域。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排各項(xiàng)舉措的積極推行及高效節(jié)能電機(jī)補(bǔ)貼政策的逐步落實(shí)，電機(jī)節(jié)能行業(yè)迎來(lái)了快速增長(zhǎng)。工信部表示，2015年將落實(shí)專(zhuān)項(xiàng)資金補(bǔ)貼電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造。為了實(shí)現(xiàn)高精度、低成本、低功耗的要求，微電機(jī)需要不斷開(kāi)發(fā)各種新結(jié)構(gòu)、使用新材料。同時(shí)要從電機(jī)驅(qū)動(dòng)角度進(jìn)行研究，改變傳統(tǒng)的電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用先進(jìn)的控制算法。

3.2 微電機(jī)與減速器一體化設(shè)計(jì)

微電機(jī)一般為高速電機(jī)，在具體的應(yīng)用領(lǐng)域往往需要與一套減速機(jī)構(gòu)相結(jié)合，經(jīng)過(guò)減速后，方可使用。而減速機(jī)構(gòu)與電機(jī)的轉(zhuǎn)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(shí)受安裝空間的影響，要求體積要盡量減小，為了適應(yīng)這一要求，并提高可靠性，國(guó)外研發(fā)人員進(jìn)行了微電機(jī)與減速器的一體化設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行了微電機(jī)與行星齒輪減速器一體化設(shè)計(jì)、微電機(jī)與滾珠絲杠減速器一體化設(shè)計(jì)、微電機(jī)與蝸輪蝸桿減速器一體化設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)均做出了樣機(jī)，并進(jìn)行了性能測(cè)試，但發(fā)現(xiàn)這樣的改進(jìn)后，整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的頻帶過(guò)低，響應(yīng)跟不上，設(shè)計(jì)人員一直在努力改進(jìn)，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到有相關(guān)的研發(fā)設(shè)計(jì)資料。

3.3 微電機(jī)的無(wú)刷化、微型化、永磁化發(fā)展

為降低微電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音，提高電磁兼容性能和電機(jī)可靠性，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，各國(guó)一直都在致力于發(fā)展各種無(wú)刷電機(jī)。但是，由于無(wú)刷電機(jī)所涉及的技術(shù)要求較高，要求掌握相關(guān)電機(jī)技術(shù)、硬件技術(shù)、軟件控制技術(shù)、傳感技術(shù)、稀土材料技術(shù)、大功率電子技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)大功率無(wú)刷電機(jī)產(chǎn)品還是比較少見(jiàn)，電子產(chǎn)品日益微型化的需要要求微電機(jī)向小型化、扁平化、輕量化方向發(fā)展。隨著微電機(jī)向微薄輕型化、無(wú)刷化和電子化的方向發(fā)展，永磁材料在微電機(jī)中的普遍應(yīng)用已是必然趨勢(shì)。

3.4 發(fā)展微電機(jī)新型測(cè)試技術(shù)

隨著微電機(jī)不斷的向微型化方向發(fā)展，其建模、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性、有效性，需要微機(jī)械性能評(píng)測(cè)技術(shù)加以評(píng)價(jià)。由于微電機(jī)的重要零部件十分微小，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)、位移微乎其微，無(wú)法用傳統(tǒng)的測(cè)試方法測(cè)得相應(yīng)指標(biāo)。因此，必須開(kāi)發(fā)微機(jī)械量傳感測(cè)量技術(shù)，以適應(yīng)新的測(cè)試需求。

4 結(jié)論

作為在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有十分重要地位的微電機(jī)行業(yè)，其在國(guó)內(nèi)及國(guó)際上的發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。正確認(rèn)識(shí)我國(guó)微電機(jī)行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及不足，找準(zhǔn)未來(lái)行業(yè)發(fā)展方向，對(duì)促進(jìn)我國(guó)微電機(jī)行業(yè)的健康發(fā)展，使我國(guó)由微電機(jī)生產(chǎn)大國(guó)變?yōu)槲㈦姍C(jī)技術(shù)全國(guó)，具有十分重要的意義。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]