1 发展动向

    微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。

    自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧?只瘮或摶旌鲜綌、撊??只瘮的永磁交流伺服系统。

    到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。

    日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24％降低到7％，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。

    以生产机床数控装置而著名的日本法奴克（Fanuc）公司，在20世纪80年代中

    期也推出了S系列（13个规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。L系列

    有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。

    日本其他厂商，例如：三菱电动机（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、东芝精机（SM系列）、大隈铁工所(BL系列）、三洋电气（BL系列）、立石电机（S系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。

    德国力士乐公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。

    德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的1／2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。

    德国宝石（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD系列（17个规格）和稀土永磁的SE系列（8个规格）交流伺服电动机和Servodyn SM系列的驱动控制器。

    美国著名的伺服装置生产公司Gettys曾一度作为Gould 电子公司一个分部（Motion Control Division），生产M600系列的交流伺服电动机和A600 系列的伺服

    驱动器。后合并到AEG，恢复了Gettys名称，推出A700全数字化的交流伺服系统。

    美国A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。电动机包括3个机座号共30个规格。

    I.D.（Industrial Drives）是美国著名的科尔摩根（Kollmorgen）的工业驱动分部，曾生产BR-210、BR-310、BR-510 三个系列共41个规格的无刷伺服电动机和BDS3型伺服驱动器。自1989年起推出了全新系列设计的摻鹣盗袛（Goldline）永磁交流伺服电动机，包括B（小惯量）、M（中惯量）和EB（防爆型）三大类，有10、20、40、60、80五种机座号，每大类有42个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为0.84～111.2N.m，功率范围为0.54～15.7kW。配套的驱动器有BDS4（模拟型）、BDS5（数字型、含位置控制）和Smart Drive（数字型）三个系列， 最大连续电流55A。Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。

    爱尔兰的Inland原为Kollmorgen在国外的一个分部，现合并到AEG，以生产直流伺服电动机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名。生产BHT1100、2200、3300三种机座号共17种规格的SmCo永磁交流伺服电动机和八种控制器。

    法国Alsthom集团在巴黎的Parvex工厂生产LC系列（长型）和GC系列（短型）

    交流伺服电动机共14个规格，并生产AXODYN系列驱动器。

    原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机。其中ДBy系列采用铁氧体永磁，有两个机座号，每个机座号有3种铁心长度，各有两种绕组数据，共12个规格，连续力矩范围为7～35N.m。2ДBy系列采用稀土永磁，6个机座号17个规格，力矩范围为0.1～170N.m，配套的是3ДБ型控制器。

    近年日本松下公司推出的全数字型MINAS系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电动机有MSMA系列小惯量型，功率从0.03～5kW，共18种规格；中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA三个系列，功率从0.75～4.5kW，共23种规格,MHMA系列大惯量电动机的功率范围从0.5～5kW，有7种规格。

    韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统，其中FAGA交流伺服电动机系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多种型号，功率从15W～5kW。

    现在常采用摴β时浠?蕯（Powerrate）这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。功率变化率表示电动机连续（额定）力矩和转子转动惯量之比。

    按功率变化率进行计算分析可知，永磁交流伺服电动机技术指标以美国I.D 的Goldline系列为最佳，德国Siemens的IFT5系列次之。

    3.5 步进电动机

    步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。

    步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。

    任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1.8°／0.9°（全步／半步）； 还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。

    步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近2亿台。

    德国也是世界上步进电动机生产大国。德国B.L.公司1994年五相混合式步进电动机专利期满后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，为定子6极转子50齿结构，配套电流型驱动器，每转步数为200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率，还可以在此基础上再10细分，分辨率提高10倍，这是一种很好的方案，充分运用了电流型驱动技术的功能，让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。

    与此同时，日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。该公司阪正文博士研制了三种不同的永磁式三相步进电动机，即HB型（混合式）、RM性（定子和混合式相似，转子则同永磁式环形磁铁相似）和爪极PM型。将三相步进电动机同二相步进电动机进行比较后显示：

    ⑴在获得小步距角方面，三相电动机比二相电动机要好。

    ⑵三相电动机的两相励磁最大保持力矩为√3T1（T1为单相励磁转矩），而二相电动机为 √2T1，所以三相电动机的合成力矩大。

    ⑶三相电动机的转矩波动比二相电动机要小。

    ⑷三相电动机连续2步用于半步的转矩差比二相电动机的要小。

    ⑸三相电动机绕组可以星形连接，三个终端驱动，励磁电路晶体管6个； 而二相电动机是8个。

    ⑹连续运转时，由于三相步进电动机结构原因，磁通和电流的三次谐波被消除了，所以三相电动机的振动力矩比二相电动机的要小。

    结论是显而易见的。另外的结论是HB型电动机更适合于低速大转矩用途；RM型适用于平稳运行以及转速大于1000r/min的用途；而PM型成本低，在低转速时的振动和高转速时的大转矩方面，三相PM型电动机比两相电动机的性能要好。

    因此，当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：

    发展趋势之一，是继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。

    发展趋势之二，是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30％～40％。

    发展趋势之三，对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。

    发展趋势之四，向五相和三相电动机方向发展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。

    我国的情况有所不同，直到20世纪80年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是80年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存。尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角（0.9°/1.8°）与典型的磁阻式电动机的步距角（0.75°/1.5°）不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。这种现状对步进电动机的发展是不利的。

    3.6新原理微电机

    3.6.1超声波电动机

    超声波电动机（简称USM）是国外日益受到重视的一种新型直接驱动电动机。同传统的电磁式电机不同，USM没有磁极和绕组，不依靠电磁相互作用传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应，将材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或者滑块的宏观运动，又称压电电动机。USM具有功率密度大、无电磁干扰、低速大转矩、响应块、无噪音和无输入自锁等卓越特性，在非连续运动领域和精密控制领域要比传统的电磁电动机性能优越得多。USM在工业控制、汽车专用电器、超高精度测量仪器、办公设备、智能机器人等领域具有广阔的应用前景，近年来倍受科技界和工业界的重视。

    自从1987年日本佳能公司将其开发的USM正式应用于EOS相机自动调焦系统以来，使USM的研究开发达到高潮，德、法、英、美、中、韩等国纷纷投入到USM的研究行列中。

    日本在USM技术上处于世界领先地位，掌握大多数技术发明专利。现在日本几乎所有的知名大学和大公司都在进行USM的研究。最近10年，日本的USM已进入实用化应用阶段，相对成熟的环形、棒形行波型USM已批量生产。美国USM也在军事和航空航天领域取得良好的应用：

    3.6.2超微电机

    超微电机是基于微电子机械系统（Micro-Electro Mechanical System，MEMS）而发展起来的一种新型高技术产品，其特点是基于半导体材料硅的微机械加工技术，用来制造尺寸从毫米到微米级范围的具有能量转换功能的器件。它是传统的机械制造技术的一次革命性的飞跃。用这种技术制造的器件或装置很多，其中超微电机是其中之一。美国1998年用静电原理工作的超微电机研制成功，转子外径100μm，厚度2μm，但是驱动力矩小，而驱动电压高达100V，限制了它的应用。1996年，德国推出直径为2mm，高4mm的超微电机。日本东芝公司研制的产品重量为40mg，转速60～100r／min，电压1.7V，直径为0.8mm世界上最小的电磁型超微电机。随后美国也研制出了直径为1～2mm的超微电机。上海交通大学1995年研制成直径为2mm，高0.7mm具有较高效率的电磁型超微电机。

    目前，超微电机还处于实验室阶段，应用到商品上还需做大量深入的工作。但是可以预计，超微电机及其制造技术将对本世纪带来很大影响，将成为微电机系统中不可缺少的驱动元件。

    4 工艺发展水平

    虽然国际微电机市场呈不断上升趋势，但市场竞争仍然是很激烈的。因此各微电机制造厂都在致力于提高生产效率，设法降低生产成本，提高产品竞争力。没有

    好的设计便不会有好的最终产品，而没有好的生产工艺和设备则不可能实现好的设

    计。电机制造厂要依靠机械领域中新的技术制造出体积小、重量轻、性能优良和高

    效率的产品，还要缩小其占地面积，减少操作人员，加速生产过程，降低生产成本，更好地满足客户的需求。加速生产工艺过程的一种方法就是在生产过程中尽量采用自动化，消除因故障停车，保证产品的高标准和稳定的质量。

    微电机采用自动化作业有两种情况，一种是生产流水线作业，采用传送链在一条生产线与几条生产线上完成一种产品的生产，另一种是采用单机自动化。生产流水线作业适合于单一品种，批量大的产品，而单机自动化适合多品种、小批量生产。采用自动化生产的又一好处是工艺过程的每一步都会被严格控制，元件质量按规定检测和确认，从而按照统一的特性标准生产出一模一样的产品。

    目前，工业发达国家采用生产流水线作业的比较少，而采用单机自动化的相对较多，发展中国家的情况正好相反。这是因为绝大多数单品种、大批量的产品工业发达国家已很少生产，而转移到东南亚等发展中国家生产。

    美国俄亥俄州的Odawara Automarion公司是一家专门为微电机生产提供自动化设备的公司。例如，它的OLL系列活动梁型车床，对筒式平面换向器表面进行精加工，自动装卸。此设备的CNC系统有很多优点，可实现高效生产， 而停机时间最少，同时灵活可靠，是一种高效耐用的设备。

    该公司生产的转子槽绝缘自动嵌入设备，可以平滑高效地嵌入槽绝缘，能自动对2极或4极转子铁心在1.5～2s内用不卷边的槽子垫造型制成槽绝缘。此机器接受成卷的材料，材料卷成并切成一定长度，开凹口嵌入槽内。

    多工位高速冲床是最常用的冲片工序加工高效设备，目前以德国、日本等发达国家的产品最好，可达到500冲次／min，百万次刃磨一次刀口。我国台湾省也生产此类设备，价格便宜，但性能不如日本和德国的设备。

    意大利的Axis公司生产的直流永磁电动机生产线是世界上比较先进的、美国Golbe公司也是世界知名的生产微电机专用设备厂家。生产动平衡机比较知名的公司有德国申克公司和日本国际计测器公司。

    为提高生产效率，国外越来越多地在微电机生产中采用机器人作业。例如，以生产机床进给用伺服电动机和主轴电机而闻名的日本FANUC公司，1997年建成一家新的伺服电机装配厂，新厂的特点是使用了新式的机器人和直线电机，用于装配电动机。新厂人数为46人，但机器人使用量达到236台 ，使伺服电动机月产量从1.5万台提高5万台。定子绕线、浸漆和上漆生产线使用了50台机器人，装配与检测生产线使用26台机器人，全部交流主轴电机系列生产线使用的机器人超过110台，最新水平的集成装配检验生产线使用了42台机器人。它可以把从定子绕组到探测器的所有零部件都装配到伺服电动机上，并对成品检验，生产周期缩短30％，自动化程度达到90％，可以生产近2000种不同规格的电机。

    对于微电机的生产工艺及生产手段，一般认识是国外先进于国内，但也有一些国外企业，生产设备也不一定十分先进，而国内有许多企业，由于生产量极大，从国外引进了许多先进的生产技术和生产线及自动化设备，反而在生产手段上超过国外有些企业。

    国外对于控制微电机而言，由于是小批量，多品种，且电机精度要求极高，采用人工操作工艺的也不少。国外一般的概念是，对于超过百万台级的产品，必须采用全自动生产线生产线生产，对小批量生产多采用单机自动化，而对于多品种、小批量，则采用人工联机操作。

    5 测试技术现状

    检验是微电机生产过程中一项最重要的步骤。为了保证质量，国外电机生产厂总是要求零配件供应者对零配件做全面的检验，这样可以免去电机生产厂对零配件的评价，省钱又省力，而反过来零配件供应厂也要求电机生产厂对其产品做出合适的评价，以便提供最合适的产品给电机装配厂。

    而最重要的是对产品的最终测试。对此，国外微电机行业现在基本上都采用计算机控制的自动测试系统。最著名的生产企业有美国的Magtrol公司，日本管源、横河和国际计测器公司。Magtrol公司的HD系列磁滞测功机从18.N.m到最大为56N.m，共18个规格，其中56N.m测功机由4个14N.m制动器串联而成，价格要2～3万美元一台。最近Magtrol公司开发出最新的采用DSP的测功机系统，自动加载速度不到10s，高速采样，采样过程自动计算惯量。因为DSP是高速采样，并及时进行惯性量补偿，达到电机的高精度，高速自动测试。在操作界面上由DOS界面，发展到Windows界面，有集中n=f（U、工、W、M、P、cosφ、η）的特性曲线，也有同时显示n=f（U）、n=f（I）...n=f（η）等六个特性曲线的Windows界面。

    另外，国外也有全虚拟仪器的电机测试系统，设有显示仪，控制器和功率仪，用软件代替大部分硬件，实现计算机全虚拟化测试。

    现在，对于大多数产品，国外已采用100％试验， 在制造末了采用随机抽样试验已不允许。试验的范围也不断扩大，除了性能试验外，还要进行其他试验，如安全试验、噪音试验、振动试验等。因为诸如机械损伤、齿轮缺陷、轴承振动和磨损等，在电气性能试验中不能被检测出来，但它要产生噪声。这里介绍一种由德国申克公司研制的利用参数认定法进行电机测试的新设备。

    该参数认定法的基本思想是通过建立数学模型，仅测量近似空载下（或电机轴上一惯性飞轮）的电流和电压，从而获得电机性能指标；又通过磁头和试验装置联接，测量振动声，用图形识别法判断电机噪声。其基本原理是被测样机，包括法兰盘、电扇和齿轮，原则上由一个相应的数字模型来描绘，模型系数直接反应了样机的物理参数，如绕线电阻和摩擦力矩，其他物理参数由数字模型间接确定。

    该装置是通过一个磁头和被测试电机联接，利用一个标准的工业用加速度传感器来测试电机噪声。方法是噪声数据由一个信号控制，可以用曲线表示。试验期间，将实测曲线与不同误差等级的标准曲线（标准曲线是噪声质量好的电机噪声曲线）相比较，得出噪声类别，如无误差、轴承噪声、转子摩擦噪声、不平衡产生的噪声等。

    该设备结构简单，可靠性高，检测时间短，是一种全新的微电机检测设备。

    6 工业发达国家向国外转移微电机生产的方式

    国外专家一般认为实现经济全球化有三个阶段：第一个阶段，以产品直接出口为主要贸易手段；第二阶段，是在目标市场投资建厂，实现本土化生产；第三个阶段，是更广泛地利用全球生产制造资源，实行业务外包。这三个阶段或三种方式不一定是循环渐进的，而是由利益所决定，也可以是同时并存的。

    对于微电机生产而言，尤其是对那些量大面广、劳动密集型，而且价格低廉的产品，国外厂家一般采取以下方式来争夺市场或争得利益。

    6.1 产品直接出口的方式

    这种方式通常受到关税、许可证以及技术壁垒的制约， 同时也要求市场需求能力，价格和产品质量等方面的优势。这是较长一段时间工业发达国家微电机进入发展中国家的主要方式。对于中国而言，随着微电机产业的快速发展，引进国外先进技术和消化吸收，在已建立了比较完善的生产技术体系的今天，这种直接出口的方式会越来越少；但对一些工业不发达国家和地区，仍不失为一种手段。而对一些技术含量较高的品种，如伺服电动机驱动控制器产品，高性能的汽车用微电机新产品，由技术先进的国家向不先进国家直接出口微电机依然会长期存在。

    6.2 在国外投资建厂实现产品本土化生产

    这种方式的目的是绕过贸易壁垒，降低生产成本，提高产品竞争力，尤其是90年代以后，许多国外公司多采取这种方式，尤其是日本，在东南亚各国，这种方式很多，并取得了很好的效果。我国广东、福建等沿海地区，这种独资的微电机企业十分多，即为一例。还有一种情况就是直接在国外投资建厂生产微电机零配件和材料，这种情况也会越来越多。

    6.3 以合资合作生产的方式取得利润

    这种方式前几年已经很多，并取得一定效果，今后若干年，这种方式仍会继续下去，但估计增长速度会很慢，原因是合资双方经常会发生摩擦，所以，近年独资企业较合资企业增加为多。