微型永磁直流電動機

設備介紹

世界上最早的電機原型就是永磁電機，只是當時永磁材料性能不良，而被電磁式電機占了主流。鋁鎳鈷永磁體的問世使永磁電機開始發展，但由於其價格比較高，所以鋁鎳鈷永磁電動機套用面並不廣。自從廉價鐵氧體的出現才使永磁電動機的套用量大幅度增加，套用面從玩具電機、音像電機、汽車微電機到工業用的小功率驅動和伺服驅動等。據統計，500W以下的直流電機中永磁電動機占92%以上，其中絕大多數是鐵氧體永磁電動機。鐵氧體使用至今，但由於其磁性較差，不適合高性能電機的需要，因而20世紀60年代出現了稀土釤鈷永磁體，其最大磁能積是鋁鎳鈷的四倍多，是鐵氧體的五倍多。釤鈷永磁體的出現使高性能伺服電動機得到實現，

但由於釤鈷永磁體價格過高，限制了其套用。20世紀80年代出現釹鐵硼永磁材料，

除了工作溫度和磁溫度係數不及釤鈷永磁體外，其他性能都超過了釤鈷，而且釹鐵硼永磁體遠比釤鈷價格低得多。高性能永磁體的出現和性能不斷提高，將會引起電機行業的巨大改變。預計各種伺服電動機，不論是直流和交流，還是步進電機最終都將過渡到永磁電機，甚至於套用領域很廣的交流異步電機也最終要被各類型的永磁電機所代替。

設備分類

經濟型永磁直流電動機

微型永磁直流電動機向經濟型和高性能型兩個方向發展。所謂經濟型，主要是指音響聲像設備中使用的微型直流電動機，如各種錄音機，錄像機、組合音響、電唱機、隨身聽、收音機、雷射唱機、數字雷射視盤機及汽車音響等。其特點是數量極大，價格低廉，一般每隻幾元。日本萬寶至公司是世界生產經濟永磁直流電動機最多的企業，每年產量數十億台。但由於日元升值，日本本土在基本不生產這種電動機，大部分轉移中國大陸和東南亞各國。如萬寶至馬達公司在大連設立的萬寶至馬達大連有限公司和萬寶至馬達瓦房店有限公司以及萬寶至香港公司在東莞設立的來料加工工場，其產量已占總公司的絕大部分。日本三洋電機株式會社在蛇口設立的公司，投資1億港元，其中微型直流電動機年產量6000萬台。 日本三協精機公司在廈門和廣東設立的獨資企業，年產各種微型直流電動機達到2億台。香港德昌電機有限公司年產各種微電機10億台以上，其中大部分是用於汽車電器中的微型直流電機。該公司還正在籌建年產量達4億台的音響設備用小電機生產加工基地。日本美之美電機有限公司在珠海設立的珠海三美電機有限公司，年產微型直流電動機1億台左右。這些電機基本上都是廉價的電機。我國大陸先後從日本引進了9條音響聲像電機生產線，不僅抵禦了進口電機的衝擊，而且成為此類電機生產大國。如阜陽市青峰機械廠，先後從日本三協公司和萬寶至公司引進電子穩速永磁直流電動機生產線及生產技術，又在深圳合資創辦了深圳發發微電機公司， 在合肥創辦了三維電子有限公司，加上本廠一起月產量達300萬台，另外浙江海山集團公司，常州微特電機總廠等廠家也先後從國外引進生產線。目前國內企業經濟型微型直流電動機產量在2億台，而獨資企業產量估計在10億台左右，所以在中國大陸生產的經濟型微型直流電動機占了全世界總量的絕大部分。這種經濟型電機在技術上難度不大，但是生產必須有規模，年產百萬台級別是不行的，必須達到千萬台產量的數量級，所以設備投資巨大。

經濟型直流電動機的發展趨勢是隨著其使用的要求而發展的，比如對於音響電機，是隨著整機對電動機追求更加小型、超薄、高速、高精度和低噪聲而不斷滿足其需要。因此這類電機的發展趨勢是：

⑴扁平輕小化。如錄音機 、電唱機、隨身聽、錄音機等設備、片狀電機受到青睞。

⑵無刷化。如錄像機，對磁鼓和主軸電機提出較高要求，而它是確保質量的關鍵元件，所以現在大多採用無刷直流電機，以提高工作可靠性、高效率和降低低噪聲。

⑶高轉速化。在2000年日本小電機研討會暨展覽會上，三協、佳能、松下等公司都展出了DVD主軸電機，CD-ROM電機，轉速都在2000r/min以上，為了克服高速狀態下的軸承和噪聲問題，採用了動壓軸承結構。利用空氣和油的動壓軸承與滾珠軸承相比，在體積、速度、噪聲和清潔度方面均有改進，且生產成本低，其套用領域在逐步擴大。

⑷高精度化。如錄音機電機的穩速誤差要求不大於0.75%，噪聲不大於32dB，抖晃率不大於0.03%。又如鼓電機是錄像機磁鼓伺服系統的主要部件，要求鼓電機的力矩波動小，噪聲低，機械安裝精度高，動態特性好。對DVD主軸電機要求與碟片配合的電機端面轉盤加工精度和配裝精度很高，轉盤端面跳動不大於20μm。要求微型永磁電動機高精度化是今後必然趨勢。

高性能稀土永磁直流電機

稀土永磁材料的研製開發對微電機的發展起了極大的推動作用。在美國、日本和西歐等已開發國家，稀土永磁材料在電機中的套用已占稀土永磁總銷售額60%以上。稀土永磁材料具有高的剩磁和矯頑力及磁能積，且具有良好的動態回復特性，尤其適合於高性能的微電機。

各向同性NdFeB粘結永磁體具有一些深受生產者和用戶喜愛的優點，例如從電

機生產者的角度看，這種粘結永磁體的優點是：

⑴尺寸、重量、性能上比粘結鐵氧體好幾倍；

⑵製作過程中工件不磁化，在計算機外圍設備套用中有較少的污染；

⑶各向同性磁化可去掉轉子鐵心，降低轉子的轉動慣量和製作成本；

⑷在多極電機設計中的高抗退磁能力；

⑸在動態負載下穩定的電機性能；

⑹在Hcj的溫度係數比各向異性NdFeB粘結永磁體低。

在國外，釹鐵硼電機的套用越來越多。德國西門子公司年產數控工具機，工業機器人用永磁電動機10萬台以上。 西方各國1995年生產計算機外圍設備用音圈電機320萬台，2000年達到600萬台。美國通用汽車公司對汽車用稀土永磁電機的發展極為樂觀，該公司年需釹鐵硼電機達2億台之多。 歐共體決定撥專款委託美國菲爾德大學專題研製釹鐵硼電機。日本是生產釹鐵硼永磁體的大國，一直壟斷永磁電動機市場。

近年國外開發了一種可實現小型低速、大轉矩化的電動機， 即便HD電機（High Density Motor ）它採用高性能稀土永磁材料和特殊磁迴路的DD電動機（Direct Drive Motor）與小型高性能伺服驅動器組合而成。電機為外轉子結構，由電動機部分、軸承、轉子位置輸出部分構成，直接和轉子連線。在HD電機的磁迴路

中，外轉子鐵心槽中嵌有片狀的高性能稀土永磁，在電機內藏有電磁減速齒輪，達到低速大轉矩的目的。與傳統的直接驅動電機比較，其鐵心利用率提高了2倍多，輸出轉矩高2倍。這種電機在立式磨床的主軸驅動、工業機器人等領域有廣泛套用。稀土永磁電機的發展方向是微型化和超薄型化。由於釹鐵硼的最大磁能積高，特別是能製成超薄型，從而使過去難以做到的超微薄型結構電機得以實現。如國外用在小型立體聲單放機，薄型錄像機中的片狀無刷直流電機，整個電機外型厚度僅4.3mm，轉子採用釹鐵硼，磁場方向為軸向，控制部分印製在一塊板上，實現了高度集成化模組，大大提高了電機可靠性。

在高溫、高真空等特殊環境下，釤鈷永磁電機的套用仍占主導地位。釤鈷永磁體由於具有工作溫度高，溫度係數小以及耐腐蝕性強的特點，因而在宇航設備、原子能設備、水下機器人、NC工具機等特殊環境下套用廣泛。英國Muihead Vaetric公司開發的潛水艇雷達無線驅動用永磁電機，其絕緣等級為H級（180℃），電機由帶有霍爾感測器的無刷直流電機，編碼器和溫度感測器三部分組成，功率達800W，在轉速80r/min的情況下，峰值力矩達40N.m。美國西蒙茲精密產品公司用小型釤鈷永磁發電機作為航空點火系統及發動機控制系統的電源， 以滿足航空發動機嚴格的振動及高溫環境要求，在F-15戰鬥機和F-100噴氣發動機上均有套用。德國西門子公司研製開發的用於數控工具機進給系統的驅動電機就是釤鈷永磁電機。瑞士Interelectric公司研製的高性能空心杯轉子永磁直流電動機有S、A、RE、F四大系列，功率從2.5W至250W，直徑從10～75mm，品種達數千種，並配有精密齒輪和編碼器、測速機等各類組合電機。摶鸚翹鉸氛吆艛上裝有11隻這種高科技直流微電機。

無刷直流電動機

無刷直流電動機是電動機技術和電子技術結合的機電一體化新型微電機。它是一種最有前途的電動機。無刷直流電動機的主要特徵是具有與普通有刷直流電流電動機相似的機械特性以及必須有電子換向電路。由於無刷直流電動機徹底取消了機械換向器和電刷，而又具備傳統直流電動機相同的線性機械特性，調速範圍寬，起動力矩大，效率高等優點，又具有如下特點：

⑴高可靠性、長壽命，工作時限主要決定於軸承及潤滑，高性能電動機的使用壽命可達數萬小時。

⑵不必經常維護。

⑶無電氣接觸火花，安全、防爆性好，無線電干擾小 。

⑷機械噪聲低。

⑸可工作於高真空，有腐蝕性氣體介質和液體介質環境中，例如宇航設備。

⑹可工作於高速或超高速。已有100000r/min產品。

⑺採用內定子外轉子（inside-out）結構，繞組在定子上，易於散熱，轉子採用永磁體勵磁，無通電繞組，幾乎無損耗和發熱。

⑻與電子電路結合，有更大的使用靈活性。例如：利用小功率邏輯控制信號可控制電動機的起停，正反轉或調節轉速，適於數字控制，易於與微機接口。正由於此，無刷直流電動機在工業和家用及國防等領域獲得了廣泛的套用。

在航空航天領域，由於高真空，無刷直流電動機的優勢是最明顯的。如宇宙飛船中用的各種泵，使用了許多無刷電動機。