微型永磁直流电动机

介绍

    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。

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。抟鹦翘铰氛吆艛上装有11只这种高科技直流微电机。

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采用内定子外转子（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。