什么是微特电机?

什么是微特电机?

[拼音]：weite dianji

[外文]：small and special electrical machine

体积、容量较小，输出功率大多在数百瓦以下的电机和用途、性能及环境条件要求特殊的电机。有时称为机电元件。中国曾用过控制微电机、驱动微电机和电源微电机等名称，现统称微特电机，即微型特种电机。也可简称微电机。在控制系统中，常用微特电机来实现机电信号或能量的检测、解算、放大、执行或转换等功能，或用以传动机械负载，或作为设备的交、直流电源。

简史

微特电机起始于1879年，西门子和哈尔斯克在英国获得第一个自整角电机专利。1914年，巴拿马运河首先用自整角电机系统控制水闸。同年，美国开始生产1/20～1/200马力D型直流电动机系列，开创微特电机的专业化生产，并在自动控制系统中得到应用。40年代前后，微特电机在自动控制系统和军事装备中推广，先后形成自整角电机、旋转变压器、伺服电动机和测速发电机等门类的基本系列。1949年，美国国防部军械局颁布第一个自整角机技术条件。到60年代前后，一些典型微特电机的理论、设计和标准大致完善，机座号、外形尺寸、安装方式和主要技术指标逐步统一。60年代起，又出现多种适应特殊要求和数字控制技术的高精度、高灵敏度和高可靠性新品种，如无刷直流电动机、步进电动机、力矩电动机、直线电机和多极角度传感器等。70年代起，一些不同于电磁感应原理的新型微特电机，如压电电动机、霍耳电机、光电电机等，向实用化推进。80年代以来，微特电机又与电子技术及计算机技术结合，应用了专用集成电路、控制器、驱动器等硬件，由软件支持，组成组件或系统，显著扩展微特电机的范围和功能，成为各种控制系统中十分重要的基础元件。

分类

微特电机门类、品种繁多。可大体分为以下13大类。

（1）直流电动机：属永磁式。按结构又可分为有刷与无刷两类。

（2）交流电动机：包括同步机和异步机两类。同步机中有磁阻电动机、磁滞电动机、永磁同步电动机及同步感应电动机。异步机中有伺服电动机、力矩电动机、三相异步电动机、单相异步电动机、以及分相异步电动机、罩极异步电动机等。

（3）自整角机：按结构分有刷与无刷；按运行特点可分为控制式、力矩式和差动式。

（4）步进电动机:包括反应式、永磁式和混合式(又称永磁感应子式)3种。

（5）旋转变压器：分为单极式与多极式两类。这两类又都有电感式与磁阻式之分。

（6）轴角编码器：可分为电机式、机械式、光电式和磁性式。

（7）交直流两用电动机。

（8）测速发电机：有直流与交流两种。

（9）感应同步器:有旋转式与直线式两种。

（10）直线电机:分为直线电动机和传感元件两类。前者又分为交流、直流和步进3种;后者包括测速发电机与感应同步器。压电电动机：分交流与直流两种。电机机组：有电动机发电机、电动机编码器、电动机变速器、电动机离合器。其他特种电机：分为发电机和变换器两类。前者包括变流机与扩大机；后者分为数模与模数两种。此外还有各类电机机组，如电动机编码器、电动机变速器等。

结构

微特电机产品多种多样，结构也各不相同，大体上可分为以下3类。

（1）电磁式：属传统式微电机。其基本组成与普通电机相似，也包括定子、转子、电枢绕组、电刷等部件。但是，由于微的特点，其结构格外紧凑。以自整角机为例，它采用通孔式结构，即定子铁心内孔与两个轴承外圆（或定子护套内孔）的尺寸相等。这些内孔由一次加工成型，保证电机的精度。

（2）组合式：常见有2种。上述各种微电机的组合;微电机与电子线路组合等。例如直流电动机与传感器的组合，X方向与Y方向直线电动机的组合等。这类电机不仅使用方便，更重要的是组合产品综合性能达最佳，提高了整机的性能。

（3）非电磁式：外形结构与电磁式一样，如旋转类产品作成圆柱形，直线类产品成方形。但是内部结构因其工作原理不同而差别很大。

主要性能参数

各类微特电机性能差别很大，难以统一阐明。一般说来，用作驱动机械的侧重于运行和起动时的力能指标；作电源用的要考虑输出功率、波形和稳定性；控制用微电机则偏重于静态和动态的特性参数。前两类电机的特性参数与普通电机相似。唯控制用微电机有其独特的特性参数。

（1）工作特性:常用输出量与输入量，或一个输出量与另一个输出量之间的关系来表示。从控制要求来说，其静态特性应呈线性曲线，曲线应连续、光滑，不应突变（图a）;动态特性常用频率曲线或响应曲线来表示。要求频率曲线平稳，无突跳振荡点；响应曲线应快速收敛（图b）。

（2）灵敏度：是对应于单位输入信号的输出量大小。各类电机表示方法不一，常用比力矩、比电动势、放大系数等等表示。一般要求它愈大愈好。而起动电压、时间常数等参数愈小则灵敏度就愈高。

（3）精度:在一定输入条件下，输出信号的实际值与理论值的差值代表微电机的精度，常用误差大小表示。例如，自整角变压器的精度用电误差和零位误差代表，直流测速发电机的精度用电压幅值误差和剩压来表征。

（4）阻抗或电阻：在系统中，微电机的输入和输出阻抗应分别与相应电路相匹配，保证系统的运行性能和精度。所以，微电机的阻抗应有所规定，对其偏差要有所限制。

（5）可靠性：不仅是控制用微电机的特殊要求，驱动微电机和电源微电机也有此要求。常用使用寿命、失效率、可靠度和平均无故障时间等参数来反映微电机的运行可靠性。

特点和应用

微特电机特点很多，基本上可归纳为微、精、组合。

（1）微：体积、功率均特别小。尺寸最小的比黄豆还小，输入功率小的可达微瓦级。

（2）精：体现在元件性能好，精度高。相应地，微特电机产品的生产技术要严格、精密。

（3）组合：微特电机是多种技术的组合。涉及电子、机械、自动控制和电子计算机等领域。

微特电机应用范围广，主要应用有以下3个领域。

（1）在无特殊控制要求的驱动场合作为运动机械负载的动力源。几乎所有类型电动机均可适用。此类电机用量很大，占微特电机总量的大半。

（2）应用于音像设备。音像设备的迅速兴起与微电机发展密不可分。微特电机的技术进步促使音像设备更新换代。以盒式录像机为例，微特电机既是这种精密电子设备的心脏部分──磁鼓组件的关键元件，又是其主导轴驱动、收供带和磁带盒的自动装载以及磁带张力控制的执行、检测中重要元件。

（3）应用于办公自动化设备、计算机外部设备和工业自动化设备。由于微电机能满足远动系统的控制要求，因而广泛地用于办公自动化、计算机外部设备、工业自动化等的磁盘驱动器、 数控绘图机、 复印机、打印机、数控机床、机器人以及微细加工装置的精密传动定位等系统。

在上述应用中，微特电机逐步摆脱了普通电机的应用方式限制。例如，新型力矩电动机，它的输出直接与机械负载相连，省去中间转换机构，可使系统达到高速、精密传动和准确定位。

微特电机原属强电工程。随着科学技术进步，它与电子学、计算机科学的联系越来越紧密，成为强电与弱电相互结合的领域。由此产生的非电磁原理微电机，多半是从弱电学科发展起来。例如，基于压电效应的压电电机，基于静电作用的静电电机，基于霍耳效应的霍耳电机，利用光电转换实现的光电电机等。

发展趋势

微特电机已发展成为一个独特的电机门类。它将继续完善其本身理论；开发和研制新品种；加强与高技术、新技术的紧密结合，扩展其功能；改进微特电机的生产技术，提高质量，降低成本。由此，使微电机元件得到更普遍的应用。 其主要发展趋向有以下3方面。

（1）采用专用集成电路、功能模块等组成驱动器、控制器，向组合化、片状化和智能化发展。功率场效应晶体管及其组件的应用，改进和扩大了微电机驱动器的功能。用组件系统能极大地改善和提高系统的控制功能，还使机电一体化系统做到体积小，成本低，可靠性高，方便使用，促使其推广应用。

（2）开发和改进电磁式微电机。随着材料科学、电子学、计算机科学的发展，促使微电机技术向高层次前进，如新型稀土材料的出现，产生盘式永磁步进电机，开发了新一代的步进电机。正在兴起交流电动机的位置、速度控制，是微电子技术渗透到微电机理论中新成果，将使微电机的性能产生质的飞跃。

（3）开发和研制非电磁式微电机。传统微电机虽有不少优点，但在使用中也暴露出不少问题，而压电电机不需电机常用铜铁主要材料，成本就低。压电电机的低速大力矩的性能是传统电机难以实现的。这将使在某些场合下用非电磁式微电机取代传统微电机成为可能。

参考书目

上海微电机研究所编著：《微特电机》，上海科学技术出版社，上海，1983。山田 博著：《精密小形そ一タの基礎と应用》，総合電子出版社，日本，1981。