電能是現(xiàn)代大量應(yīng)用的一種能量形式，而電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用和控制等，都必須利用電機(jī)這種進(jìn)行能量變換或訊號(hào)變換的電磁裝置。因此，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械化、電氣化和自動(dòng)化的原動(dòng)機(jī)，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)研究和人民物質(zhì)文明生活的各個(gè)領(lǐng)域，例如電動(dòng)機(jī)在汽車上的應(yīng)用情況見表1。20世紀(jì)末以來(lái)，由于功率電子學(xué)、微電子學(xué)、控制論、精密機(jī)械制造技術(shù)等*學(xué)科的滲透，使各類電機(jī)成為各種機(jī)電系統(tǒng)中一個(gè)較為重要的元件。20世紀(jì)的特點(diǎn)是由電氣化時(shí)代進(jìn)入原子能、計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化時(shí)代，它不僅對(duì)電機(jī)提出了諸如性能良好、運(yùn)行可靠、單位容量輕、體積小等方面愈來(lái)愈多的要求，而且隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置的發(fā)展，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的理論基礎(chǔ)上，發(fā)展出多種高可靠性、高精度、快速響應(yīng)的控制電機(jī)，成為電機(jī)學(xué)科的獨(dú)立分支。
20世紀(jì)90年代以來(lái)，日本的小電機(jī)產(chǎn)量受到電子產(chǎn)品、通訊產(chǎn)品、家用電器、轎車等行業(yè)的刺激，迅速得到發(fā)展，年產(chǎn)量達(dá)到產(chǎn)量的80%以上，1995年生產(chǎn)了32億臺(tái)，占產(chǎn)量的83%，產(chǎn)值達(dá)75億美元，幾乎壟斷了市場(chǎng)。日本以外的產(chǎn)量大小依次排序?yàn)椋褐袊?guó)、馬來(lái)西亞、菲律賓、泰國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、印尼、西班牙、新加坡等地。
微特電機(jī)及其應(yīng)用
微特電機(jī)是電機(jī)的一個(gè)主要分支，20世紀(jì)末以來(lái)，直線電機(jī)、低速電機(jī)、超聲波電機(jī)、DH電機(jī)及其它微電機(jī)發(fā)展迅速。微特直線電機(jī)多采用在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為伺服電動(dòng)機(jī)，或者作為一種執(zhí)行元件使用。近年來(lái)，隨著自動(dòng)控制技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，對(duì)各類自動(dòng)控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求。在這種情況下，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)再加上一套變換機(jī)構(gòu)組的直線運(yùn)動(dòng)裝置，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求。
為此，近年來(lái)世界許多國(guó)家都在研究發(fā)展和應(yīng)用直線電機(jī)，使得直線電機(jī)越來(lái)越受到電機(jī)制造商的重視和關(guān)注。
微特直線電機(jī)特點(diǎn)
★ 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要一套變換裝置
★ 系統(tǒng)的定位精度高
★ 反應(yīng)速度快、靈敏度高
★ 尺寸緊湊，重量 輕部件少等
目前，以微特直線電機(jī)為主要控制元件的新型設(shè)備和儀器儀表正在市場(chǎng)上大量涌現(xiàn)。如小型記錄儀中指示器、控制器、計(jì)算機(jī)磁盤上用的磁頭驅(qū)動(dòng)裝置等均采用了直線電動(dòng)機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，*每年在這一領(lǐng)域內(nèi)所需微特直線電機(jī)達(dá)50萬(wàn)臺(tái)。在機(jī)床領(lǐng)域內(nèi)，隨著機(jī)床向高速化、高精度化方向發(fā)展，直線懸浮電動(dòng)機(jī)（電磁軸承）在高速切削機(jī)床和高速主軸部件上的應(yīng)用也日趨廣泛。它是采用懸浮技術(shù)使電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子懸浮在空中，其轉(zhuǎn)速可高達(dá)25000?00000r/min以上。這種直線懸浮電動(dòng)機(jī)目前在日本、法國(guó)、美國(guó)、德國(guó)等許多國(guó)家已進(jìn)入實(shí)用。
微特直線電機(jī)在醫(yī)療器械方面也有廣泛的應(yīng)用。例如日本山田一采用直線電機(jī)作為人工心臟的泵驅(qū)動(dòng)器，該裝置可用作植入式人工心臟。
此外，微特直線電機(jī)在家用電器方面的應(yīng)用近年來(lái)也漸成時(shí)尚，如目前已進(jìn)入商品化的直線電動(dòng)窗簾、電動(dòng)門、電動(dòng)鎖等都是利用直線電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。日本已研制出在家用洗衣機(jī)上采用直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)攪拌器，這是一種180度反轉(zhuǎn)方式的洗衣機(jī)，與采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的洗衣機(jī)相比，零件數(shù)明顯減少，約為旋轉(zhuǎn)電機(jī)洗衣機(jī)的1/10，故成本大為下降；其次是壽命長(zhǎng)，不需維護(hù)，每天使用24小時(shí)，能連續(xù)運(yùn)行7年；第三是能夠在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)洗滌能力及攪拌機(jī)的速度。
低速電機(jī)及其應(yīng)用
傳統(tǒng)電機(jī)都是以高速旋轉(zhuǎn)的，一般為：2800、1400、960、720r/min四種轉(zhuǎn)速，這種轉(zhuǎn)速很難滿足各種工業(yè)設(shè)備運(yùn)行的需要，90%的電機(jī)必須與龐大的減速機(jī)構(gòu)配套使用。在伺服系統(tǒng)中，電機(jī)采用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)后，不僅使系統(tǒng)尺寸、重量增加，而且造成噪聲、增加慣量及降低效率。同時(shí)，由于齒輪嚙合精度的限制，在要求正反轉(zhuǎn)和平穩(wěn)快速反應(yīng)時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)往往影響系統(tǒng)性能。隨著宇航、衛(wèi)星、火箭等技術(shù)的發(fā)展，低速電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。這種電機(jī)體積小、重量輕，直接輸出較低的轉(zhuǎn)速，無(wú)需再用減速機(jī)，同時(shí)能輸出大轉(zhuǎn)矩。因?yàn)榈退匐姍C(jī)轉(zhuǎn)速低可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備，既節(jié)約了能源，又降低了成本。
一般低速電機(jī)是指每分鐘在幾十轉(zhuǎn)以下的電動(dòng)機(jī)。它的定子為一般結(jié)構(gòu)，嵌有勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子則由柔性材料制成。運(yùn)轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)子作波形運(yùn)動(dòng)，即由橢園變形發(fā)生的擺線運(yùn)動(dòng)，從而直接獲得低速旋轉(zhuǎn)。由于它的構(gòu)造原理*，性能*，低速電機(jī)已成為當(dāng)代電機(jī)產(chǎn)品的主流之一。1963年，美國(guó)聯(lián)合制鞋機(jī)械公司（USM）首先發(fā)明了伺服低速電機(jī)，并被成功地應(yīng)用于宇航、衛(wèi)星等高技術(shù)領(lǐng)域。之后，日本引進(jìn)美國(guó)全套技術(shù)，并依此原理制成了諧波傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)（Resposyn）。
近年來(lái)，美國(guó)又在研制通用低速電機(jī)，并在通用低速電機(jī)研究與生產(chǎn)處于世界水平，生產(chǎn)廠主要是HDSG公司。該公司生產(chǎn)的低速電機(jī)與美國(guó)的不同，其優(yōu)點(diǎn)更為突出，該電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速僅2.8r/min。這一*技術(shù)代表著電機(jī)發(fā)展的一個(gè)方向。
低速電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣闊，尤其在低速運(yùn)行場(chǎng)合更加顯示出非同一般的*性。它使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)緊湊，成本降低，整機(jī)噪聲下降，促進(jìn)產(chǎn)品上水平、上檔次。據(jù)不*統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年需要生產(chǎn)近600萬(wàn)臺(tái)，其市場(chǎng)前景極為樂(lè)觀。同時(shí)，由于省去了減速機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，機(jī)械效率相應(yīng)地提高，因而節(jié)約了能源和大量的原輔材料，其社會(huì)效益亦極為可觀。以醫(yī)用X光機(jī)的床身翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)為例，如改用低速的電機(jī)，就能省掉原來(lái)龐大笨重的齒輪、蝸輪、蝸桿、絲桿構(gòu)成的減速系統(tǒng)，直接驅(qū)動(dòng)床身翻轉(zhuǎn)，從而提高整機(jī)產(chǎn)品的綜合性能指標(biāo)，這種X光機(jī)我國(guó)每年約生產(chǎn)4000臺(tái)。
超聲電動(dòng)機(jī)
超聲波電動(dòng)機(jī)是國(guó)外zui近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型電動(dòng)機(jī)。超聲波電動(dòng)機(jī)突破了傳統(tǒng)的電磁電動(dòng)機(jī)的概念，它沒(méi)有磁場(chǎng)，不依靠電磁相互作用來(lái)轉(zhuǎn)換能量，而是利用壓電陶瓷元件的逆效應(yīng)和超聲振動(dòng)，將材料的微觀變形通過(guò)機(jī)械共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)型）或滑塊（直線型）的宏觀運(yùn)動(dòng)。超聲波電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)電磁電動(dòng)機(jī)相比，它具有慣量小、響應(yīng)快、控制特性好、不受磁場(chǎng)影響，其本身亦不產(chǎn)生磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確等特點(diǎn)。特別是它具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、噪聲低、低速時(shí)輸出大轉(zhuǎn)矩以及直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)。它不需要附加齒輪變速機(jī)構(gòu)，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的振動(dòng)、沖擊與噪聲、低效率、難控制等一系列問(wèn)題。
超聲波電動(dòng)機(jī)的雛形zui早由前蘇聯(lián)在60年代初提出，但未研究下去。1973年美國(guó)IBM的H·V·Barch研制成功以振動(dòng)能量作為驅(qū)動(dòng)源的電動(dòng)機(jī)。超聲波電動(dòng)機(jī)是在八十年代走向?qū)嵱谩?982年日本研制成功了兩種實(shí)用的超聲波電動(dòng)機(jī)，即駐波型和行波型。此后十多年間，日本、美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)競(jìng)相研制各種類型和用途的超聲波電動(dòng)機(jī)，迄今已達(dá)數(shù)十種之多。
超聲波電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，目前主要用于照相機(jī)的自動(dòng)聚焦，這主要是由于超聲波電動(dòng)機(jī)適應(yīng)了這種高轉(zhuǎn)矩的需要，而且中心位又可以做中空結(jié)構(gòu)的緣故。其它方面，如機(jī)床設(shè)備、機(jī)器人、汽車、辦公設(shè)備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域都有應(yīng)用。專家預(yù)計(jì)，隨著人們對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用面的拓寬，到2000年，該電機(jī)保守估計(jì)*將形成幾十億美元的銷售額，若在汽車工業(yè)以及辦公自動(dòng)化設(shè)備上得到充分推廣應(yīng)用，那么其銷售額至少在百億美元以上。
DD和HD電動(dòng)機(jī)
DD電動(dòng)機(jī)（Direct Drive Motor）具有低速、大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，與伺服電動(dòng)機(jī)加減速機(jī)方式相比，具有無(wú)齒隙游移，機(jī)械剛性高以及無(wú)需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)高精度高位置控制。因此，在高速、高精度的位置定位、搬運(yùn)等場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。目前，所使用的DD電動(dòng)機(jī)大體上有DC無(wú)刷型，可變磁阻型（VR）和混合型（HB）等幾種，而這幾種電動(dòng)機(jī)尚存在體積大、鐵芯利用率低以及單位體積輸出轉(zhuǎn)矩小等缺點(diǎn)，因而在一些精密機(jī)床以及特殊場(chǎng)合下的應(yīng)用受到限制。
近年來(lái)，國(guó)外開發(fā)了一種可實(shí)現(xiàn)小型、大轉(zhuǎn)矩化的電動(dòng)機(jī)，即HD電動(dòng)機(jī)（High Density Motor）。它是采用高性能的*磁鐵和*的磁回路的DD電動(dòng)機(jī)與小型、高性能AC伺服驅(qū)動(dòng)器組合而成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，和傳統(tǒng)的DD電動(dòng)機(jī)相比，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的小型化和大轉(zhuǎn)矩化。
HD電動(dòng)機(jī)可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式，其主要特點(diǎn)：一是轉(zhuǎn)矩（推力）大。在相同體積的情況下，與VR型和HB型電動(dòng)機(jī)相比，其輸出轉(zhuǎn)矩（推力）可提高2倍左右；二是效率高、線性度好。與DC無(wú)刷型電動(dòng)機(jī)相比，HD電動(dòng)機(jī)銅耗小，溫升低，因而效率高。與采用*磁鐵的VR型電動(dòng)機(jī)相比，則電流一轉(zhuǎn)矩特性的線性度好。三是高剛度、高精度。旋轉(zhuǎn)式HD電動(dòng)機(jī)采用雙列式滾動(dòng)軸承，因而剛度高，且電動(dòng)機(jī)可直接與負(fù)載連接，系統(tǒng)的定位精度高；四是中空穴結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)式HD電動(dòng)機(jī)采用中空穴結(jié)構(gòu)，其中間可以通過(guò)配線、配管，因而使整個(gè)電機(jī)更趨于合理、緊湊。
HD電動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域很廣，特別是在高精度的機(jī)床設(shè)備以及機(jī)器人上的應(yīng)用尤為突出，如：
機(jī)床工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)
直線電動(dòng)機(jī)的自身質(zhì)量小，產(chǎn)生的推力由于直接作用在移動(dòng)物體上，故可得到率的驅(qū)動(dòng)特性。日本神鋼電機(jī)株式會(huì)社采用HD型直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)高速多工序自動(dòng)數(shù)控機(jī)床（M/C）工作臺(tái)，其被驅(qū)動(dòng)部分的質(zhì)量為255kg。試驗(yàn)結(jié)果表明：zui大加速度為1.3g，速度閉環(huán)的帶寬為150Hz,而傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)加變速裝置方式僅為0.3g和80Hz。
立式磨床的主軸驅(qū)動(dòng)
日本一些公司已經(jīng)在高精度的立式磨床上使用HD電動(dòng)機(jī)進(jìn)行主軸驅(qū)動(dòng)。它與傳統(tǒng)的皮帶驅(qū)動(dòng)相比，可得到振動(dòng)小、平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)特性以及高精度的加工品質(zhì)，同時(shí)由于沒(méi)有齒輪、皮帶輪、皮帶等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，因而噪聲小，可靠性高，既節(jié)約了能源，又提高了效率。
振動(dòng)試驗(yàn)裝置
在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究時(shí)，需要使用振動(dòng)試驗(yàn)裝置，過(guò)去一直使用油壓方式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于需要油壓泵，蓄電池等大型設(shè)備，因而維修復(fù)雜，能量效率低，且控制復(fù)雜。由于HD技術(shù)的出現(xiàn)，大推力直線電機(jī)的制造已成為可能，用HD型電動(dòng)機(jī)制成的振動(dòng)試驗(yàn)裝置，具有良好的線性特性高速性能。在5Hz以下的頻率范圍可得到良好的力控制以及加速度控制特性。這種振動(dòng)試驗(yàn)裝置，目前在日本已進(jìn)入實(shí)用。
移動(dòng)機(jī)器人
清潔室內(nèi)搬運(yùn)的機(jī)器人，通常采用輪式的HD型DD電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輪。該電動(dòng)機(jī)內(nèi)部裝有制動(dòng)器，轉(zhuǎn)子外圓直接安裝在輪胎上，對(duì)車輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，故可獲得低污染、低噪聲以及平滑的機(jī)械特性和良好的控制性。
HD電動(dòng)機(jī)由于具有高剛性、高精度、無(wú)刷化以及小型大轉(zhuǎn)矩化的特點(diǎn)，因而是很有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)品。
其它微特電機(jī)
片狀微電機(jī)
通常，把微小型化、采用片狀線圈、軸向磁路結(jié)構(gòu)的微電機(jī)稱之為片狀微電機(jī)。片狀微電機(jī)是八十年代初期發(fā)展起來(lái)的一種新型電機(jī)，它一出現(xiàn)就獲得電唱機(jī)、盒式錄音機(jī)、錄象機(jī)、攝像機(jī)等音響、錄象設(shè)備AV（即Audio-Video）制造廠商的青睞，近年來(lái)發(fā)展到軟盤驅(qū)動(dòng)器等計(jì)算機(jī)外部設(shè)備。這種片狀微電機(jī)對(duì)電子產(chǎn)品的小型化發(fā)展十分有益。
目前，片狀微電機(jī)的應(yīng)用范圍廣，特別是在OA、HA市場(chǎng)上有著廣泛的應(yīng)用。如用于HDD、FDD以及LBP的主軸驅(qū)動(dòng)等；用于盒式錄放機(jī)、隨身聽、盤式磁帶機(jī)、卡拉OK機(jī)、DAT、汽車立體聲、卡式CD、攜帶式CD以及MD唱機(jī)的輸帶、卷盤等，需求量相當(dāng)可觀。有關(guān)專家預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)，*片狀微電機(jī)的應(yīng)用化程度可形成數(shù)百億元的市場(chǎng)規(guī)模。
超微電動(dòng)機(jī)
所謂超微電動(dòng)機(jī)，是指那些形狀非常小（1mm）以下、重量很輕，并且在同一塊基板上（硅或其它材料），采用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)制造出的電機(jī)一體化傳動(dòng)裝置。
超微電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景是十分廣闊而誘人的，特別是在人們尚未充分認(rèn)識(shí)的微環(huán)境下，有待不斷開創(chuàng)發(fā)展。采用超微電動(dòng)機(jī)和其它微電子機(jī)械制成的微型機(jī)器人，可進(jìn)入人體內(nèi)部探查病灶，實(shí)施手術(shù)；超微電動(dòng)機(jī)可與集成電路制成的各種專門器件，在光通訊、航天、航空、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域更有重大的應(yīng)用價(jià)值。
鞭毛電動(dòng)機(jī)
鞭毛電動(dòng)機(jī)是細(xì)菌在水中用于游動(dòng)而使用的分子機(jī)械（由蛋白質(zhì)分子而形成的機(jī)械）。鞭毛電動(dòng)機(jī)在生物界中是*的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，也是世界上zui?。ㄖ睆?0nm）的電動(dòng)機(jī)。 據(jù)國(guó)外研究資料表明，鞭毛是從數(shù)um大小的菌體中產(chǎn)生的，鞭毛長(zhǎng)度大體上從數(shù)um到10um之間，直徑僅20um左右。從電子顯微鏡中可看出，鞭毛電動(dòng)機(jī)的能量是從細(xì)胞外面到內(nèi)部的離子流中獲得的。
未來(lái)鞭毛電動(dòng)機(jī)將廣泛地應(yīng)用于生物領(lǐng)域，科學(xué)家們?cè)O(shè)想開發(fā)活體執(zhí)行器?，F(xiàn)在的電磁電機(jī)重量輕，由于傳輸電力和信號(hào)需要很多的導(dǎo)線，因而在微觀世界上無(wú)法應(yīng)用。
球形電動(dòng)機(jī)
隨著機(jī)械系統(tǒng)日益復(fù)雜化，尤其是對(duì)機(jī)器人、機(jī)械手等精密裝置的性能要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的單自由度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，要實(shí)現(xiàn)二個(gè)自由度以上的運(yùn)動(dòng)需要二個(gè)或多外伺服電機(jī)通過(guò)復(fù)雜的機(jī)械連續(xù)實(shí)現(xiàn)，這不僅造成機(jī)械手體積大、重量重，而且系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能差。而球形電機(jī)可作三自由度運(yùn)動(dòng)，大大的簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，體積小、重量輕，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)情能高，因此在機(jī)器人、機(jī)械手、火炮炮塔轉(zhuǎn)臺(tái)等需作多自由度運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合有較大的應(yīng)用價(jià)值。
微電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)
隨著科技的發(fā)展，未來(lái)微電機(jī)涉及的學(xué)科將更加廣泛，其發(fā)展趨勢(shì)將是集成和優(yōu)化。同時(shí)，微電機(jī)將向著生物領(lǐng)域和芯片領(lǐng)域進(jìn)軍。微電機(jī)行業(yè)也將隨著新技術(shù)、新材料的采用而注入更強(qiáng)的生命力。