Mikromotor bezieht sich auf das Prinzip, die Struktur, die Leistung, die Funktion usw., die sich vom herkömmlichen Motor unterscheiden, und das Volumen und die Ausgangsleistung sind sehr klein. Im Allgemeinen beträgt der Außendurchmesser des Mikromotors nicht mehr als 130 mm und die Leistung liegt zwischen Hunderten von Milliwatt und Hunderten von Watt. Es wird häufig in militärischen und zivilen modernen Geräten und deren Steuerungssystemen eingesetzt, beispielsweise in der Artilleriesteuerung, der Raketenlenkung, der automatischen Steuerung von Flugzeugen, CNC-Werkzeugmaschinen, der Steuerung von schützenlosen Webstühlen, der Steuerung von Industrienähmaschinen, Telemetrie und Fernbedienung, Audio- und Videogeräten, automatischen Instrumenten und Computerperipheriegeräten usw., die alle eine große Anzahl von Mikromotoren verwenden.
Heutzutage wurden in praktischen Anwendungen Mikromotoren entwickelt, von der früheren einfachen Startsteuerung, deren Zweck die Bereitstellung von Leistung war, bis hin zur präzisen Steuerung von Geschwindigkeit, Position, Drehmoment usw., insbesondere in der Industrieautomation, Büroautomation und Heimautomation. Fast alle verwenden kombinierte mechatronische Produkte aus Motortechnik, Mikroelektroniktechnik und Leistungselektroniktechnik. Die Elektronisierung ist ein unvermeidlicher Trend bei der Entwicklung von Mikromotoren.
2 Anwendungsbereich des Mikromotors（Hohlbechermotor )
Die moderne Mikromotorentechnologie integriert eine Reihe hochmoderner und neuer Technologien wie Motoren, Computer, Steuerungstheorie und neue Materialien und gelangt von Militär und Industrie in den Alltag. Daher sollte die Entwicklung der Mikromotorentechnologie an die Entwicklungsbedürfnisse von Säulenindustrien und High-Tech-Industrien angepasst werden. Mikromotoren werden hauptsächlich in folgenden Aspekten eingesetzt:
2.1 Mikro-Spezialmotoren für Haushaltsgeräte
Um die Benutzeranforderungen kontinuierlich zu erfüllen und sich an die Bedürfnisse des Informationszeitalters anzupassen, um Energieeinsparung, Komfort, Vernetzung, Intelligenz und sogar die Vernetzung von Haushaltsgeräten (Informations-Haushaltsgeräte) zu erreichen, ist der Austauschzyklus von Haushaltsgeräten sehr schnell und an den unterstützenden Motor werden Anforderungen wie hohe Effizienz, geringe Geräuschentwicklung, geringe Vibration, niedriger Preis, einstellbare Geschwindigkeit und Intelligenz gestellt. Mikromotoren für Haushaltsgeräte machen 8 % der Gesamtzahl der Mikromotoren aus: darunter Klimaanlagen, Waschmaschinen, Kühlschränke, Mikrowellenherde, elektrische Ventilatoren, Staubsauger, Entwässerungsmaschinen usw.
Der weltweite jährliche Bedarf an 450 bis 500 Millionen Einheiten (Sets) ist zwar nicht groß, aber vielfältig. Die Entwicklungstrends von Mikromotoren für Haushaltsgeräte sind: ① Bürstenlose Permanentmagnetmotoren werden nach und nach einphasige Asynchronmotoren ersetzen; ② Design optimieren, Produktqualität und Effizienz verbessern; ③ Einführung neuer Strukturen und neuer Technologien zur Verbesserung der Produktionseffizienz.
2.2 Mikromotor für Informationsverarbeitungsgeräte
Informationsverarbeitungsgeräte mit Mikromotoren machten 29 % aus: einschließlich Informationseingabe, -speicherung, -verarbeitung, -ausgabe, -leitung und anderen Verbindungen, einschließlich Kommunikationsgeräten. Die Welt benötigt 1,5 Milliarden (Sets) pro Jahr, hauptsächlich Permanentmagnet-Gleichstrommotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren, Schrittmotoren, Mikrosynchronmotoren und so weiter. Die jährliche Produktion von Mikrocomputern (PCs) belief sich im Jahr 2000 auf etwa 100 Millionen Einheiten. Im Jahr 2005 werden es voraussichtlich 200 Millionen Einheiten sein. Für die Unterstützung wichtiger Komponenten des Mikromotors werden immer höhere Anforderungen gestellt. Bei den meisten dieser Motoren handelt es sich um bürstenlose Präzisions-Permanentmagnetmotoren und Präzisions-Schrittmotoren.
Ihre Eigenschaften und Entwicklungsrichtungen sind:
(1) Produkte mit hohen Investitionen Dieser Motortyp stellt sehr hohe Anforderungen an die Stabilität der Drehzahl und den Rundlauf der rotierenden Welle. Daher ist dieser Motortyp eine Kombination aus fortschrittlicher Fertigungstechnologie und neuer Leistungselektroniktechnologie für High-Tech-Produkte mit hohen Investitionen, die sich im Allgemeinen auf die internationale Entwicklung und Produktion großer Unternehmen konzentrieren.
(2) Miniaturisierung und Flockigkeit Um den Anforderungen der Miniaturisierung und Portabilität von Informationsprodukten gerecht zu werden, werden Miniaturisierungs- und Flockigkeitsanforderungen für ihre unterstützenden Motoren gestellt.
(3) Hohe Geschwindigkeit Aufgrund der kontinuierlichen Verbesserung der Speicherdichte von Computerperipheriegeräten ist es erforderlich, dass die unterstützende Motorgeschwindigkeit über 8000 U/min liegt.
2.3 Mikromotor für Automobile
Mikromotoren für Automobile machten 13 % aus, darunter Startergeneratoren, Scheibenwischermotoren, Motoren für Klimaanlagen und Kühlventilatoren, elektrische Tachometer, Fensterheber und Türschlossmotoren. Im Jahr 2000 betrug die weltweite Automobilproduktion etwa 54 Millionen, mit durchschnittlich 15 Motoren pro Fahrzeug, und weltweit wurden 810 Millionen benötigt.
Entwicklungsschwerpunkte der Automobil-Mikromotorentechnologie:
(1) Hohe Effizienz, hohe Kraft, Energieeinsparung durch Hochgeschwindigkeits-, Hochleistungs-Magnetmaterialauswahl, hocheffiziente Kühlmittel und Verbesserung der Effizienz des Controllers sowie andere Maßnahmen zur Verbesserung seiner Betriebseffizienz.
(2) Intelligent, um einen intelligenten Motor und eine intelligente Steuerung des Fahrzeugs zu erreichen, sodass das Fahrzeug im besten Zustand fährt und der Energieverbrauch minimal ist.
2.4 Mikromotor für Audiogeräte
Audiogeräte mit Mikromotoren machten 18 % aus, darunter Plattenspieler, Recorder, VCD- und DVD-Video-Discs. Die weltweite Nachfrage beträgt mehr als 1 Milliarde Einheiten pro Jahr. Derzeit macht die inländische Produktion etwa 60 % aus, hauptsächlich gedruckte Wickelmotoren, Wickelscheibenmotoren usw.
2.5 Mikromotor für Videogeräte
Videogeräte mit Mikromotoren machten 7 % aus, darunter Kameras, Kameras usw. Der weltweite jährliche Bedarf liegt bei 350 bis 400 Millionen Einheiten (Sets). Solche Motoren sind präzise, die Herstellung und Verarbeitung ist schwierig, insbesondere nach dem Eintritt in die digitale Welt stellt der Motor anspruchsvollere Anforderungen.
2.6 Mikromotor für industriellen elektrischen Antrieb und Steuerung
Diese Art von Mikromotoren macht 2 % aus, einschließlich CNC-Werkzeugmaschinen, Manipulatoren, Roboter usw. Hauptsächlich für AC-Servomotoren, Leistungsschrittmotoren, Gleichstrommotoren mit hoher Drehzahl, bürstenlose AC-Motoren usw. Diese Art von Motor weist viele Varianten auf, hat hohe technische Anforderungen und ist eine Motorenklasse mit einer schnelleren Inlandsnachfrage.
2.7 Spezial-Mikromotor
Dieser Motortyp macht etwa 23 % aus, darunter Luft- und Raumfahrt, verschiedene Flugzeuge, automatisierte Waffen und Ausrüstung, medizinische Ausrüstung usw. Bei solchen Motoren handelt es sich meist um Spezialmotoren oder Neumotoren, einschließlich Motoren, die sich in Prinzip, Struktur und Betriebsweise vom allgemeinen elektromagnetischen Prinzip unterscheiden, hauptsächlich Synchronmotoren mit niedriger Drehzahl, harmonische Motoren, Motoren mit begrenztem Winkel, Ultraschallmotoren, Mikrowellenmotoren, kapazitive Motoren, elektrostatische Motoren usw. Unter ihnen sind Ultraschallmotoren, Mikrowellenmotoren, kapazitive Motoren und elektrostatische Motoren Spezialmotoren, die sich in Prinzip, Struktur und Funktionsweise von allgemeinen Motoren unterscheiden. Die Entstehung und Entwicklung dieser Motoren steht in engem Zusammenhang mit der Entwicklung der Elektronik- und Steuerungstechnik.
3 Mikromotor neue Produkttechnologie
Mit dem kontinuierlichen Fortschritt von Wissenschaft und Technologie und den neuen Anforderungen praktischer Anwendungen ist eine Vielzahl von Mikrospezialmotoren entstanden, die sich von herkömmlichen elektromagnetischen Motoren unterscheiden. Sie übernehmen neuartige Designkonzepte, -methoden, -strukturen und -prinzipien.
3.1 Bürstenloser Permanentmagnetmotor
Bürstenloser Motor ist die Entwicklungsrichtung von Mikromotoren, die in den Bereichen Information, Haushaltsgeräte, Audio und Video, Transport usw. eingesetzt werden. Mit der rasanten Entwicklung von Permanentmagnetmaterialien und Leistungselektroniktechnologie verbessert sich die Leistung weiter, der Preis sinkt weiter, bürstenlose Motoren werden weiterentwickelt und die Nachfrage wird immer größer. Im Vergleich zum allgemeinen Asynchronmotor verringerte sich der Stromverbrauch des neuen bürstenlosen Motors um 30 % bis 35 %, um die Anforderungen an hohe Effizienz, Energieeinsparung, geringes Gewicht und geringes Gewicht zu erfüllen.
Obwohl der Selbstkostenpreis von bürstenlosen Motoren aufgrund des geringen Stromverbrauchs, des hohen Wirkungsgrads und der geringeren Betriebskosten höher ist als der von Asynchronmotoren, ist die Beliebtheit bürstenloser Motoren unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung zwangsläufig der Trend von The Times. Die großen Unternehmen der Welt haben einen harten Wettbewerb auf dem Gebiet der bürstenlosen Motoren gestartet. Daher wird mit der Verbesserung der Leistung von Komponenten und Materialien auch die Leistung bürstenloser Motoren erheblich verbessert und der Geschwindigkeitswettbewerb der Technologieentwicklung wird stärker in den Vordergrund treten.
3.2 Ultraschallmotor
Ultraschallmotor (Ultraschallmotor, Ultraschallmotor, Abkürzung USM) ist die Nutzung des inversen piezoelektrischen Effekts von piezoelektrischen Materialien, so dass der elastische Körper (Stator) im Ultraschallfrequenzband mikroskopische mechanische Vibrationen (Vibrationsfrequenz über 20 kHz) erzeugt, durch die Reibung zwischen dem Stator und dem Rotor (oder dem beweglichen Teil) wird die mikroskopische Vibration des Stators in den Rotor (oder den beweglichen Teil) in eine Makrodrehung (oder lineare Bewegung) in eine Richtung umgewandelt. Es durchbricht das Konzept des traditionellen Motors, dass Geschwindigkeit und Drehmoment durch den elektromagnetischen Effekt erzielt werden, und ist eine weitere bemerkenswerte neue Technologie in der Entwicklung der Mikromotortechnologie.
Im Vergleich zum herkömmlichen Motor bietet der Ultraschallmotor eine Reihe von Vorteilen: (1) einfacher Aufbau, er besteht aus zwei Grundkomponenten: Vibrationsteilen und beweglichen Teilen; (2) Das Einheitsvolumendrehmoment ist groß und beträgt das Zehnfache des herkömmlichen Motors mit demselben Volumen. (3) Die Leistung bei niedriger Drehzahl ist gut, die Drehzahl kann auf Null eingestellt werden und bei niedriger Drehzahl kann direkt ein großes Drehmoment ausgegeben werden. (4) Großes Bremsmoment, keine zusätzliche Bremse erforderlich; (5) Kleine mechanische Zeitkonstante, gute schnelle Leistung; (6) Keine magnetischen und elektrischen Felder, keine elektromagnetischen Störungen und elektromagnetischen Lärm.
Derzeit haben viele Unternehmen in einigen ausländischen Ländern wie Japan kommerzielle praktische Anwendungen erhalten. Neue Produkte von Ultraschallmotoren von Canon, Panasonic, Hitachi und anderen Unternehmen wurden in modernen Kameras, Camcordern und optischen Instrumenten eingesetzt. Die Entwicklungsrichtung der Ultraschallmotortechnologie besteht darin, die Effizienz weiter zu verbessern.
Der Ultraschallmotor übernimmt ein neues Prinzip und eine neue Struktur, benötigt keine Magnete und Spulen, sondern nutzt den umgekehrten piezoelektrischen Effekt von piezoelektrischen Materialien und Ultraschallvibrationen, um Bewegung und Kraft (Moment) direkt zu erhalten. Es durchbricht das Konzept des Motors, dass Geschwindigkeit und Drehmoment bisher durch den elektromagnetischen Effekt erzielt werden, und ist eine High-Tech-Technologie, die an der Spitze der aktuellen Weltwissenschaft steht. Aufgrund des Ultraschalls verfügt der Motor über viele Eigenschaften, die der elektromagnetische Motor nicht aufweist. Obwohl seine Erfindung und Entwicklung erst 20 Jahre alt ist, wurden sie in der Luft- und Raumfahrt, Robotik, Automobilindustrie, Präzisionspositionierung, medizinischen Geräten, Mikromaschinen und anderen Bereichen erfolgreich eingesetzt.
3.3 Hochgeschwindigkeits-Dynamikdrucklagermotor
Mit der Entwicklung von Informationsprodukten in Richtung hoher Effizienz, hoher Dichte und Mikrodünnheit hat der Präzisions-Permanentmagnet-Bürstenlosmotor, der ihn unterstützt, eine Geschwindigkeit von bis zu 8000 bis 50000 U/min. Die Lager von Hochgeschwindigkeitsmotoren werden auch herkömmliche Gleitlager durch dynamische Drucklager ersetzen, um viele technische Probleme zu überwinden, die durch hohe Geschwindigkeiten verursacht werden. Im Vergleich zu Kugellagern und Gleitlagern bietet das dynamische Drucklager viele Vorteile. Es kann unregelmäßige Wellenschwingungen verhindern, die Schlagfestigkeit, die lange Lebensdauer, die Geräuscharmut usw. verbessern.
Der Motor mit dynamischem Drucklager verfügt über zwei Arten von Flüssigkeit und Luft. Die allgemeine Drehzahl ist bei dynamischem Fluiddrucklager niedrig, die Geschwindigkeit ist bei dynamischem Luftdrucklager hoch. Obwohl noch einige technische Probleme weiter gelöst werden müssen, wurde die Entwicklungsrichtung von Hochgeschwindigkeits-Dynamikdrucklagermotoren allgemein bestätigt.
3.4 Linearmotor
Mit der rasanten Entwicklung der automatischen Steuerungstechnologie werden die Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit verschiedener automatischer Steuerungssysteme immer höher, und der herkömmliche Rotationsmotor in Verbindung mit einer Reihe von Transformationsmechanismen, die aus linearen Bewegungsgeräten bestehen, kann die Genauigkeitsanforderungen nicht erfüllen. Der direkte Linearantrieb ist einer der Inhalte der modernen Servoantriebstechnologieforschung, und der Linearmotor ist eine der Schlüsseltechnologien. Das Anwendungsgebiet von Linearmotoren ist ebenfalls breit gefächert. Wenn eine lineare Bewegung des Geräts erforderlich ist, ist die Verwendung eines Linearmotors mit Direktantrieb dem Rotationsmotor überlegen. Die Steuerungsgenauigkeit kann verbessert werden, da der Bewegungstransformationsmechanismus weggelassen wird.
3,5 Supermicro-Motor
Die Mikromotorentechnik ist ein in den letzten 20 Jahren entwickeltes neues Hightech-Gebiet der mikroelektromechanischen Systemtechnik (MEMS), das durch Mikrobearbeitungstechnologie auf Basis des Halbleitermaterials Silizium gekennzeichnet ist und zur Herstellung von Geräten mit Energieumwandlungs- und Übertragungsfunktionen im Größenbereich von Millimeter bis Mikrometer eingesetzt wird. Das Aufkommen der MEMS-Technologie hat einen revolutionären Sprung in der traditionellen mechanischen Fertigungstechnologie gemacht.
Der Ultramikromotor verfügt über das elektrostatische Prinzip des Ultramikromotors und des elektromagnetischen Ultramikromotors, da der elektromagnetische Ultramikromotor ein größeres Drehmoment als der elektrostatische Ultramikromotor hat, einen hohen Umwandlungswirkungsgrad und eine lange Lebensdauer aufweist und in vielen Bereichen wie Endoskopen, Mikrorobotern usw. eingesetzt wird. Gegenwärtig haben die Vereinigten Staaten, Japan, Russland, Deutschland und andere Länder viel Arbeitskraft, Material und finanzielle Ressourcen in die Erforschung und Anwendung dieser Technologie investiert und große Fortschritte gemacht, und einige haben praktische Fortschritte erzielt. Beispielsweise hat das japanische Unternehmen Toshiba den kleinsten Mikromotor der Welt mit einem Gewicht von 40 mg, einer Geschwindigkeit von 60 bis 1000 U/min, einer Spannung von 1,7 V und einem Durchmesser von nur 0,8 mm entwickelt, und die Shanghai Jiao Tong University entwickelt ebenfalls einen Mikromotor mit einem Durchmesser von 1 mm. Es ist zu erwarten, dass mit der Entwicklung und Anwendung der Nanofabrikationstechnologie auch Supermikromotoren stark weiterentwickelt werden, so dass sie mehr Anwendungsgebiete haben.
3.6 Molekularer Motor
Mit der Entwicklung von MEMS, nanoelektrischen Systemen (na2noelectromechanicalsystems, NEMS), tauchten Strukturgrößen auf, die zwischen einigen Hundert und einigen Nanometern liegen können, von denen einige wichtige potenzielle Anwendungen im biomedizinischen Bereich haben. RickyK. Soong et al. von der Cornell University in den Vereinigten Staaten integrierten einen einzelnen biomolekularen Motor mit einem nanoskaligen anorganischen System, um ein hybrides nanomechanisches Gerät zu bilden, das von einem molekularen Motor angetrieben wird. Durch die Hydrolyse von ATP (Adenosintriphosphat) in einem aktiven System ist der biomolekulare Motor (weniger als 8 nm Durchmesser und 14 nm Länge) in der Lage, ein maximales Drehmoment von 80 bis 100 pN·nm zu erzeugen, was mit der Größe und den mechanischen Konstanten nanomechanischer Strukturen, die heute hergestellt werden können, kompatibel ist. Es wird erwartet, dass diese neue Technologie eine Rolle bei der Reinigung von Blutgefäßen spielen wird.
4 Mikromotor-Entwicklungstrend
Nach dem Eintritt in das 21. Jahrhundert steht die nachhaltige Entwicklung der Weltwirtschaft vor zwei Schlüsselthemen: Energie und Umweltschutz. Einerseits der Fortschritt der menschlichen Gesellschaft. Die Anforderungen der Menschen an die Lebensqualität werden immer höher. Die Vibrationen, Geräusche und elektromagnetischen Störungen des Motors werden zur öffentlichen Gefahr der Umweltverschmutzung. Die Effizienz des Motors steht in direktem Zusammenhang mit dem Energieverbrauch und den schädlichen Gasemissionen. Daher werden die internationalen Anforderungen an diese technischen Indikatoren immer strenger. Dies hat die Aufmerksamkeit der Automobilindustrie im In- und Ausland auf sich gezogen. Von der Motorstruktur, dem Prozess, den Materialien, den elektronischen Komponenten, den Steuerleitungen und dem elektromagnetischen Design bis hin zu anderen Aspekten der Energieeinsparungsforschung hat der Mikromotor eine neue Produktrunde auf der Grundlage hervorragender technischer Leistung entwickelt. Andererseits werden relevante internationale Standards zum Zweck der Energieeinsparung und des Umweltschutzes umgesetzt und relevante technologische Fortschritte gefördert, z Design, Verbesserung der Lüftungsstruktur und magnetische Materialien mit geringem Verlust und hoher Permeabilität, Permanentmagnetmaterialien aus seltenen Erden, Geräusch- und Vibrationsreduzierungstechnologie, Leistungselektroniktechnologie, Steuerungstechnologie, Technologie zur Reduzierung elektromagnetischer Interferenzen und andere Anwendungsforschung.
Unter der Prämisse, den Trend der wirtschaftlichen Globalisierung zu beschleunigen, widmen die Länder den beiden Hauptthemen Energieeinsparung und Umweltschutz mehr Aufmerksamkeit, stärken den internationalen technischen Austausch und die Zusammenarbeit und beschleunigen das Tempo der technologischen Innovation. Der Entwicklungstrend der Mikromotorentechnologie lautet: (1) Übernahme hoher und neuer Technologien und Entwicklung in Richtung Elektronik; (2) Hohe Effizienz, Energieeinsparung und umweltfreundliche Entwicklung; (3) Zu hoher Zuverlässigkeit, Entwicklung der elektromagnetischen Verträglichkeit; (4) Zu geringe Geräuschentwicklung, geringe Vibration, niedrige Kosten, Preisentwicklung; (5) Für eine spezialisierte, diversifizierte und intelligente Entwicklung.
Darüber hinaus zeichnet sich der Mikromotor durch Modularisierung, Kombination, intelligente Mechatronik und bürstenlose Richtung aus, ohne Eisenkern und mit permanenter Magnetisierung. Besonders hervorzuheben ist, dass sich bei der Anwendung von Mikromotoren die Umgebung ändert und das traditionelle elektromagnetische Prinzip des Motors nicht vollständig erfüllt werden kann. Mit den neuen Errungenschaften verwandter Disziplinen, einschließlich neuer Prinzipien und neuer Materialien, ist die Entwicklung von Mikro-Spezialmotoren mit nicht-elektromagnetischen Prinzipien zu einer wichtigen Richtung der Motorentwicklung geworden.
