微型步进发展情况

文章来源:锐特步进电机 时间:2019-10-17 09:42:09 浏览:

  微型步进电机发展情况

  1 发展动向

  微步进电机工业发展渊源流长,种类繁多,每户家庭中对电机平均用量的多寡代表着一个国家进步的情况。微电机已成为产业用机器设备、电器产品、汽车、摩托车和办公OA机器及通信等产品的重要元件,其需求量、成长率相当可观,近两年来用量更加大幅提升。由于终端产品的发展日新月异,机种不断更新,使得电机的功能设计、开发、生产也不停的推陈出新。因此未来中高档次的电机,其功能需配合新产品的开发与厂家实际需求来衡量,整个国际市场潜力极大,以下为市场前瞻性分析。

  ⑴家电用电机。微特电机及控制技术是现代家电的核心技术,家电用电机种类众多,数量也大,虽属较成熟市场,但新机种强调产品的多功能、省能源、低噪声、振动小,正符合家电产品今后设计、生产、检测高质量化的效果,未来市场将会大幅成长。

  ⑵通信、电脑周边产品。此类产品所用高精密小型电机需求品种愈来愈多,数量增幅甚为惊人,其配合电子控制,附加价值高,未来发展潜力很大。

  ⑶汽车用微电机。汽车销售量节节上升,所应用电装品日益增多。自动定量电子喷油系统取代传统化油器,ABS刹车皆改由电机代替,一部汽车由传统的十几个电机增加到三四十个,甚至用到八十多个电机。摩托车的起动电机取代了脚踩方式,手提充电式电动工具的多样化,未来环保所需的电动汽车,都让人对高性能直流电机垂涎三尺,寄予厚望。

  ⑷电动工具用微电机。工业用产品转化成家庭用手提工具,使高级电动工具及家庭电器产品风行,对串励电机性能要求愈严苛,发展也愈可观。

  ⑸其他特殊用电机。如卫星接收器转向电机、割草机、残障车用电机、CNC用伺服电机的数量都逐年上升,而电脑及高级电器用的无刷电机数量增幅最大,数以千万台计。

  ⑹工业用电机。一向由国际景气带动上升,新兴工业国家增加,设备更新、新机器的增产,使得工业电机的未来仍然充满希望。

  2 技术发展趋势

  国外微电机主要技术发展趋势是:产品向高性能、小体积方向发展;直流微电机向永磁化和无刷化方向发展;控制类微电机向高性能和组合化方向发展; 生产技术向集约化、柔软化、自动化方向发展;测试技术向高级化自动化发展。

  与此同时,微电机行业面临着以下变化:

  ⑴现代工业用电机甚至家电电机已不再由单纯的交直流电直接供电,而是由电力电子驱动器驱动。

  ⑵电机和驱动器作为高效率自动化生产中的中枢和执行机,其可靠性是产品成功的首要因素。

  ⑶随着电子技术的日新月异,微电机行业和驱动器制造业面临着一个相互收购和合并调整过程。

  ⑷面临市场竞争和市场国际化的趋势,微电机行业正出现国际间强强联合的跨国集团公司。

  ⑸驱动器的引入使现代微电机的设计、材料、生产工艺和制造面临着新要求和新挑战。

  ⑹相对其他工业特别是电子工业,微电机制造业仍然是自动化程度较低的行业,换言之,劳动力占产品成本的比重比较高。

  3 产品发展情况

  3.1 控制类微电机

  此类电机包括自整角机、旋转变压器、测速度发电机、感应移相器、伺服电动机等产品,主用于军事装备和自动控制中。这类微电机除了强调小型化、高精度、快速反应、高可靠性及对恶劣环境适应性以外,还具有以下特点:

  ⑴品种多,数量小。军事装备门类多,要求各异,又不断更新换代,决定了这类电机的这一特点。美国kearfortt公司宣称, 该公司可供国防部选用的品种规格达5000种以上,但年产量仅100万台。INLAND公司工业生产直流力矩电机, 产品机座最小仅2in,最大2m,品种500多种。

  ⑵标准化、系列化水平高。西方国家为了达到武器设备的互换性和三军使用的统一性,长期以来在军用微电机标准化和系列化方面,不惜重金开展了多方研究工作,形成了以美军标准为基础的统一标准。如英国DEF-148、法国170-510、日本NDS5340等标准,均注明与美军标准同类产品可互换。前苏联和东欧国家则按前苏联国家标准(TOCT)中有关军用等级生产。美军标准代表世界先进水平。

  ⑶生产高度垄断,技术严格封锁。军事装备中用的微电机大多属于精密控制电机,且在装备中起着关键作用。另外,要求较多的精密加工设备和检测设备,特别是现代微特电机技术集电机、微电子、精密加工和计算机技术于一身,一般企业难以承担生产和开发新品任务。据统计,目前世界上生产军用微电机的厂家仅数十个,其中著名的厂家美国占1/3(12个),英国有4个,法国、日本、意大利各有2个,形成高度垄断局面,并受政府的重视和保护。美军在1986~1990年间投资10亿美元专款,用于开发各类数字系统用微电机及控制装置。北约组织长期以来,将军用微电机列入摪屯硵控制物资名单中。

  下面介绍国外几个主要工业发达国家军用控制微电机的发展近况。

  美国军用微电机制造业具有较长的历史,其科研和产品水平处于世界领先地位。长期以来,西方国家军事装备和电子装置中应用的各类微电机绝大部分一直由美国几个主要公司供给。微电机美军标准已成为具有国际标准的地位。英国具有较好的电机工业基础,军用微特电机工业水平亦较高,其产品除供本国军方选用外,也向北约组织国供应。法、日、德等国的军用微电机工业起步较晚,其产品技术水平低于美国,品种规格也少。法国和德国均依赖本国技术特点,开发部分新产品,形成具有特色的专门技术产品。如法国的位置传感产品,西德的无刷电动机和步进电机等,均达到或接近美国水平。前苏联的微电机工业有较长的发展历史并形成了独立的科研和生产体系,采取封闭集中式生产,由少数大型军工骨干企业承担,特别重视产品质量和可靠性,但其产品性能水平和新品开发与美国相比有一定的差距。

  这类微电机今后的技术发展应继续提高和完善传统产品的性能,开发能满足特殊要求的新品种。如开发粗、中、精三通道位置传感器,精度可达角秒级,分辨率超过21bit。开发各类直接驱动电动伺服机构用的低速交流和直流力矩电动机,多极印制绕组盘式电动机,片状微电机,以逐步取代传统结构产品。继续完善与微电机配套的电子元器件的功能,开发专用微处理器芯片及集成电路,研究电机控制的新原理和新方法。

  3.2 微型永磁直流电动机

  世界上最早的电机原型就是永磁电机,只是当时永磁材料性能不良,而被电磁式电机占了主流。铝镍钴永磁体的问世使永磁电机开始发展,但由于其价格比较高,所以铝镍钴永磁电动机应用面并不广。自从廉价铁氧体的出现才使永磁电动机的应用量大幅度增加,应用面从玩具电机、音像电机、汽车微电机到工业用的小功率驱动和伺服驱动等。据统计,500W以下的直流电机中永磁电动机占92%以上,其中绝大多数是铁氧体永磁电动机。铁氧体使用至今,但由于其磁性较差,不适合高性能电机的需要,因而20世纪60年代出现了稀土钐钴永磁体,其最大磁能积是铝镍钴的四倍多,是铁氧体的五倍多。钐钴永磁体的出现使高性能伺服电动机得到实现,

  但由于钐钴永磁体价格过高,限制了其应用。20世纪80年代出现钕铁硼永磁材料,

  除了工作温度和磁温度系数不及钐钴永磁体外,其他性能都超过了钐钴,而且钕铁硼永磁体远比钐钴价格低得多。高性能永磁体的出现和性能不断提高,将会引起电机行业的巨大改变。预计各种伺服电动机,不论是直流和交流,还是步进电机最终都将过渡到永磁电机,甚至于应用领域很广的交流异步电机也最终要被各类型的永磁电机所代替。

  3.2.1 经济型永磁直流电动机

  微型永磁直流电动机向经济型和高性能型两个方向发展。所谓经济型,主要是指音响声像设备中使用的微型直流电动机,如各种录音机,录像机、组合音响、电唱机、随身听、收音机、激光唱机、数字激光视盘机及汽车音响等。其特点是数量极大,价格低廉,一般每只几元。日本万宝至公司是世界生产经济永磁直流电动机最多的企业,每年产量数十亿台。但由于日元升值,日本本土在基本不生产这种电动机,大部分转移中国大陆和东南亚各国。如万宝至马达公司在大连设立的万宝至马达大连有限公司和万宝至马达瓦房店有限公司以及万宝至香港公司在东莞设立的来料加工工场,其产量已占总公司的绝大部分。日本三洋电机株式会社在蛇口设立的公司,投资1亿港元,其中微型直流电动机年产量6000万台。 日本三协精机公司在厦门和广东设立的独资企业,年产各种微型直流电动机达到2亿台。香港德昌电机有限公司年产各种微电机10亿台以上,其中大部分是用于汽车电器中的微型直流电机。该公司还正在筹建年产量达4亿台的音响设备用小电机生产加工基地。日本美之美电机有限公司在珠海设立的珠海三美电机有限公司,年产微型直流电动机1亿台左右。这些电机基本上都是廉价的电机。我国大陆先后从日本引进了9条音响声像电机生产线,不仅抵御了进口电机的冲击,而且成为此类电机生产大国。如阜阳市青峰机械厂,先后从日本三协公司和万宝至公司引进电子稳速永磁直流电动机生产线及生产技术,又在深圳合资创办了深圳发发微电机公司, 在合肥创办了三维电子有限公司,加上本厂一起月产量达300万台,另外浙江海山集团公司,常州微特电机总厂等厂家也先后从国外引进生产线。目前国内企业经济型微型直流电动机产量在2亿台,而独资企业产量估计在10亿台左右,所以在中国大陆生产的经济型微型直流电动机占了全世界总量的绝大部分。这种经济型电机在技术上难度不大,但是生产必须有规模,年产百万台级别是不行的,必须达到千万台产量的数量级,所以设备投资巨大。

  经济型直流电动机的发展趋势是随着其使用的要求而发展的,比如对于音响电机,是随着整机对电动机追求更加小型、超薄、高速、高精度和低噪声而不断满足其需要。因此这类电机的发展趋势是:

  ⑴扁平轻小化。如录音机 、电唱机、随身听、录音机等设备、片状电机受到青睐。

  ⑵无刷化。如录像机,对磁鼓和主轴电机提出较高要求,而它是确保质量的关键元件,所以现在大多采用无刷直流电机,以提高工作可靠性、高效率和降低低噪声。

  ⑶高转速化。在2000年日本小电机研讨会暨展览会上,三协、佳能、松下等公司都展出了DVD主轴电机,CD-ROM电机,转速都在2000r/min以上,为了克服高速状态下的轴承和噪声问题,采用了动压轴承结构。利用空气和油的动压轴承与滚珠轴承相比,在体积、速度、噪声和清洁度方面均有改进,且生产成本低,其应用领域在逐步扩大。

  ⑷高精度化。如录音机电机的稳速误差要求不大于0.75%,噪声不大于32dB,抖晃率不大于0.03%。又如鼓电机是录像机磁鼓伺服系统的主要部件,要求鼓电机的力矩波动小,噪声低,机械安装精度高,动态特性好。对DVD主轴电机要求与盘片配合的电机端面转盘加工精度和配装精度很高,转盘端面跳动不大于20μm。要求微型永磁电动机高精度化是今后必然趋势。

  3.2.2 高性能稀土永磁直流电机

  稀土永磁材料的研制开发对微电机的发展起了极大的推动作用。在美国、日本和西欧等发达国家,稀土永磁材料在电机中的应用已占稀土永磁总销售额60%以上。稀土永磁材料具有高的剩磁和矫顽力及磁能积,且具有良好的动态回复特性,尤其适合于高性能的微电机。

  各向同性NdFeB粘结永磁体具有一些深受生产者和用户喜爱的优点,例如从电

  机生产者的角度看,这种粘结永磁体的优点是:

  ⑴尺寸、重量、性能上比粘结铁氧体好几倍;

  ⑵制作过程中工件不磁化,在计算机外围设备应用中有较少的污染;

  ⑶各向同性磁化可去掉转子铁心,降低转子的转动惯量和制作成本;

  ⑷在多极电机设计中的高抗退磁能力;

  ⑸在动态负载下稳定的电机性能;

  ⑹在Hcj的温度系数比各向异性NdFeB粘结永磁体低。

  在国外,钕铁硼电机的应用越来越多。德国西门子公司年产数控机床,工业机器人用永磁电动机10万台以上。 西方各国1995年生产计算机外围设备用音圈电机320万台,2000年达到600万台。美国通用汽车公司对汽车用稀土永磁电机的发展极为乐观,该公司年需钕铁硼电机达2亿台之多。 欧共体决定拨专款委托美国菲尔德大学专题研制钕铁硼电机。日本是生产钕铁硼永磁体的大国,一直垄断永磁电动机市场。

  近年国外开发了一种可实现小型低速、大转矩化的电动机, 即便HD电机(High Density Motor )它采用高性能稀土永磁材料和特殊磁回路的DD电动机(Direct Drive Motor)与小型高性能伺服驱动器组合而成。电机为外转子结构,由电动机部分、轴承、转子位置输出部分构成,直接和转子连接。在HD电机的磁回路

  中,外转子铁心槽中嵌有片状的高性能稀土永磁,在电机内藏有电磁减速齿轮,达到低速大转矩的目的。与传统的直接驱动电机比较,其铁心利用率提高了2倍多,输出转矩高2倍。这种电机在立式磨床的主轴驱动、工业机器人等领域有广泛应用。稀土永磁电机的发展方向是微型化和超薄型化。由于钕铁硼的最大磁能积高,特别是能制成超薄型,从而使过去难以做到的超微薄型结构电机得以实现。如国外用在小型立体声单放机,薄型录像机中的片状无刷直流电机,整个电机外型厚度仅4.3mm,转子采用钕铁硼,磁场方向为轴向,控制部分印制在一块板上,实现了高度集成化模块,大大提高了电机可靠性。

  在高温、高真空等特殊环境下,钐钴永磁电机的应用仍占主导地位。钐钴永磁体由于具有工作温度高,温度系数小以及耐腐蚀性强的特点,因而在宇航设备、原子能设备、水下机器人、NC机床等特殊环境下应用广泛。英国Muihead Vaetric公司开发的潜水艇雷达无线驱动用永磁电机,其绝缘等级为H级(180℃),电机由带有霍尔传感器的无刷直流电机,编码器和温度传感器三部分组成,功率达800W,在转速80r/min的情况下,峰值力矩达40N.m。美国西蒙兹精密产品公司用小型钐钴永磁发电机作为航空点火系统及发动机控制系统的电源, 以满足航空发动机严格的振动及高温环境要求,在F-15战斗机和F-100喷气发动机上均有应用。德国西门子公司研制开发的用于数控机床进给系统的驱动电机就是钐钴永磁电机。瑞士Interelectric公司研制的高性能空心杯转子永磁直流电动机有S、A、RE、F四大系列,功率从2.5W至250W,直径从10~75mm,品种达数千种,并配有精密齿轮和编码器、测速机等各类组合电机。摶鹦翘铰氛吆艛上装有11只这种高科技直流微电机。

  3.3 无刷直流电动机

  无刷直流电动机是电动机技术和电子技术结合的机电一体化新型微电机。它是一种最有前途的电动机。无刷直流电动机的主要特征是具有与普通有刷直流电流电动机相似的机械特性以及必须有电子换向电路。由于无刷直流电动机彻底取消了机械换向器和电刷,而又具备传统直流电动机相同的线性机械特性,调速范围宽,起动力矩大,效率高等优点,又具有如下特点:

  ⑴高可靠性、长寿命,工作时限主要决定于轴承及润滑,高性能电动机的使用寿命可达数万小时。

  ⑵不必经常维护。

  ⑶无电气接触火花,安全、防爆性好,无线电干扰小 。

  ⑷机械噪声低。

  ⑸可工作于高真空,有腐蚀性气体介质和液体介质环境中,例如宇航设备。

  ⑹可工作于高速或超高速。已有100000r/min产品。

  ⑺采用摾锓鈹(inside-out)结构,绕组在定子上,易于散热,转子采用永磁体励磁,无通电绕组,几乎无损耗和发热。

  ⑻与电子电路结合,有更大的使用灵活性。例如:利用小功率逻辑控制信号可控制电动机的起停,正反转或调节转速,适于数字控制,易于与微机接口。正由于此,无刷直流电动机在工业和家用及国防等领域获得了广泛的应用。

  在航空航天领域,由于高真空,无刷直流电动机的优势是最明显的。如宇宙飞船中用的各种泵,使用了许多无刷电动机。

  3.4 永磁交流伺服电动机

  20世纪80年代以来,随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展,永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展,各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向,使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后,世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较,主要优点有:

  ⑴无电刷和换向器,因此工作可靠,对维护和保养要求低。

  ⑵定子绕组散热比较方便。

  ⑶惯量小,易于提高系统的快速性。

  ⑷适应于高速大力矩工作状态。

  ⑸同功率下有较小的体积和重量。      

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