میکرو موتور چیست؟ استفاده از میکرو موتور (موتورهای جام توخالی)

میکرو موتور  به اصل، ساختار، عملکرد، عملکرد و غیره اشاره دارد که با موتور معمولی متفاوت است و حجم و قدرت خروجی موتور بسیار کوچک است. به طور کلی قطر خارجی میکرو موتور از 130 میلی متر بیشتر نیست و توان آن بین صدها میلی وات تا صدها وات است. به طور گسترده ای در تجهیزات مدرن نظامی و غیر نظامی و سیستم کنترل آن مانند کنترل توپخانه، هدایت موشک، خلبانی خودکار هواپیما، ماشین ابزار CNC، کنترل بافندگی بدون شاتل، کنترل چرخ خیاطی صنعتی، تله متری و کنترل از راه دور، تجهیزات صوتی و تصویری، ابزارهای اتوماتیک و لوازم جانبی کامپیوتر و غیره استفاده می شود که همگی از تعداد زیادی میکرو موتور استفاده می کنند.

امروزه در کاربردهای عملی، میکروموتورها از گذشته به منظور کنترل راه اندازی ساده، هدف از تأمین نیرو، تا کنترل دقیق سرعت، موقعیت، گشتاور و غیره توسعه یافته اند، به ویژه در اتوماسیون صنعتی، اتوماسیون اداری و اتوماسیون خانگی، تقریباً همه از فناوری موتور، فناوری میکروالکترونیک و فناوری الکترونیک قدرت ترکیبی از محصولات مکاترونیک استفاده می کنند. الکترونیکی شدن یک روند اجتناب ناپذیر در توسعه میکرو موتورها است.

2 زمینه کاربرد میکرو موتور (موتور فنجان توخالی )

فن آوری میکرو موتور مدرن تعدادی از فناوری های پیشرفته و جدید مانند موتورها، کامپیوترها، تئوری کنترل و مواد جدید را با هم ادغام می کند و از نظامی و صنعتی به زندگی روزمره در حال حرکت است. بنابراین، توسعه فناوری میکرو موتور باید با نیازهای توسعه صنایع ستونی و صنایع با فناوری پیشرفته سازگار شود. میکرو موتور عمدتا در جنبه های زیر استفاده می شود:

2.1 میکرو موتورهای ویژه برای لوازم خانگی

به منظور برآورده کردن مستمر نیازهای کاربران و انطباق با نیازهای عصر اطلاعات، برای دستیابی به صرفه جویی در انرژی، راحتی، شبکه، هوشمندسازی و حتی لوازم خانگی شبکه (لوازم خانگی اطلاعاتی)، چرخه تعویض لوازم خانگی بسیار سریع است و الزامات راندمان بالا، صدای کم، لرزش کم، قیمت پایین، سرعت قابل تنظیم و هوشمند موتور برای پشتیبانی مطرح می شود. میکرو موتورهای لوازم خانگی 8 درصد از کل میکرو موتورها را شامل می شود: تهویه مطبوع، ماشین لباسشویی، یخچال، مایکروفر، پنکه برقی، جاروبرقی، دستگاه آبگیری و غیره.

تقاضای سالانه جهان برای 450 تا 500 میلیون واحد (مجموعه)، چنین قدرت موتوری زیاد نیست، اما تنوع زیادی دارد. روند توسعه میکرو موتورها برای لوازم خانگی عبارتند از: ① موتورهای بدون جاروبک آهنربای دائمی به تدریج جایگزین موتورهای ناهمزمان تک فاز خواهند شد. ② بهینه سازی طراحی، بهبود کیفیت و کارایی محصول؛ ③ اتخاذ ساختار جدید و فن آوری جدید برای بهبود بهره وری تولید.

2.2 میکرو موتور برای تجهیزات پردازش اطلاعات

تجهیزات پردازش اطلاعات با میکرو موتورها 29 درصد را شامل می شود: از جمله ورودی اطلاعات، ذخیره سازی، پردازش، خروجی، هدایت و سایر پیوندها، از جمله تجهیزات ارتباطی. جهان به 1.5 میلیارد (مجموعه) در سال، عمدتاً به موتورهای DC آهنربای دائم، موتورهای DC بدون جاروبک، موتورهای پله ای، موتورهای میکرو سنکرون و غیره نیاز دارد. خروجی سالانه ریز رایانه (PC) حدود 100 میلیون واحد در سال 2000، 2005، انتظار می‌رود که 200 میلیون واحد باشد، زیرا از اجزای کلیدی آن در تقاضای میکرو موتور پشتیبانی می‌کند و نیازهای فزاینده بالایی دارد. بیشتر این موتورها موتورهای براشلس آهنربای دائم دقیق و موتورهای پله ای دقیق هستند.

ویژگی ها و مسیرهای توسعه آنها عبارتند از:

(1) محصولات با سرمایه گذاری بالا این نوع موتور دارای الزامات بسیار بالایی برای پایداری سرعت و خروجی شفت چرخان است، بنابراین این نوع موتور ترکیبی از فن آوری ساخت پیشرفته و فناوری الکترونیک قدرت در حال ظهور محصولات با تکنولوژی بالا و سرمایه گذاری بالا است که به طور کلی در توسعه بین المللی و تولید شرکت های بزرگ متمرکز شده است.

(2) کوچک سازی و پوسته پوسته شدن به منظور پاسخگویی به نیازهای کوچک سازی و قابل حمل بودن محصولات اطلاعاتی، نیازهای کوچک سازی و پوسته پوسته شدن برای موتورهای پشتیبان آنها مطرح شده است.

(3) سرعت بالا با بهبود مستمر چگالی ذخیره سازی لوازم جانبی کامپیوتر، لازم است که سرعت موتور پشتیبان باید بالاتر از 8000r/min باشد.

2.3 میکرو موتور برای خودرو

موتورهای میکرو برای خودروها 13 درصد از جمله ژنراتورهای استارت، موتورهای برف پاک کن، موتورهای فن های تهویه مطبوع و خنک کننده، سرعت سنج های الکتریکی، بالابر پنجره ها و موتورهای قفل درب را تشکیل می دهند. در سال 2000، تولید خودرو در جهان حدود 54 میلیون خودرو بود که به طور متوسط ​​15 موتور در هر خودرو تولید می شد و 810 میلیون خودرو در سراسر جهان مورد نیاز بود.

تمرکز توسعه فناوری میکرو موتور خودرو:

(1) راندمان بالا، نیروی بالا، صرفه جویی در انرژی از طریق انتخاب مواد مغناطیسی با سرعت بالا و عملکرد بالا، وسایل خنک کننده با راندمان بالا و بهبود کارایی کنترل کننده و سایر اقدامات برای بهبود کارایی عملکرد آن.

(2) هوشمند برای دستیابی به موتور و کنترل کننده هوشمند ماشین، به طوری که ماشین در بهترین حالت برای دستیابی به حداقل مصرف انرژی کار کند.

2.4 میکرو موتور برای تجهیزات صوتی

تجهیزات صوتی با موتورهای میکرو 18٪ از جمله پخش کننده های ضبط، ضبط کننده ها، دیسک های ویدئویی VCD و DVD را تشکیل می دهند. تقاضای جهانی بیش از 1 میلیارد واحد در سال است. در حال حاضر، تولید داخلی حدود 60٪، عمدتا موتور سیم پیچ چاپی، موتور دیسک سیم پیچ و غیره را به خود اختصاص داده است.

2.5 میکرو موتور برای تجهیزات ویدئویی

تجهیزات ویدئویی با موتورهای میکرو 7 درصد شامل دوربین، دوربین و غیره بوده است. تقاضای سالانه جهان در 350 تا 400 میلیون واحد (مجموعه)، چنین موتورهایی با دقت، ساخت و پردازش دشوار است، به خصوص پس از ورود به دیجیتال، موتور مورد نیاز بیشتری را مطرح می کند.

2.6 میکرو موتور برای درایو و کنترل الکتریکی صنعتی

این نوع میکرو موتور 2٪ از جمله ابزارهای CNC، دستکاری کننده ها، روبات ها و غیره را شامل می شود. این نوع موتور دارای انواع مختلف، الزامات فنی بالا است و از دسته موتورهایی با تقاضای داخلی سریعتر است.

2.7 میکرو موتور ویژه

این نوع موتور حدود 23 درصد از جمله پروازهای هوافضا، هواپیماهای مختلف، سلاح ها و تجهیزات خودکار، تجهیزات پزشکی و غیره را به خود اختصاص می دهد. اینگونه موتورها عمدتاً موتورهای ویژه یا موتورهای جدید هستند، از جمله موتورهایی که در اصل، ساختار و حالت عملکرد با اصل الکترومغناطیسی عمومی متفاوت هستند، عمدتاً موتورهای سنکرون با سرعت پایین، موتورهای هارمونیک، موتورهای زاویه محدود، موتورهای اولتراسونیک، موتورهای مایکروویو، موتورهای خازنی، موتورهای الکترواستاتیک و غیره. موتورهای عمومی در اصل، ساختار و عملکرد. پیدایش و توسعه این موتورها ارتباط تنگاتنگی با توسعه فناوری الکترونیک و فناوری کنترل دارد.

3 تکنولوژی محصول جدید میکرو موتور

با پیشرفت مداوم علم و فناوری و الزامات جدید کاربردهای عملی، انواع موتورهای میکرو ویژه متفاوت از موتورهای الکترومغناطیسی سنتی وجود داشته است. آنها مفاهیم، ​​روش ها، ساختارها و اصول طراحی جدید را اتخاذ می کنند.

3.1 موتور بدون برس آهنربای دائمی

موتور براشلس جهت توسعه میکرو موتور است که در زمینه های اطلاعاتی، لوازم خانگی، صوتی و تصویری، حمل و نقل و غیره اعمال شده است. با توسعه سریع مواد مغناطیس دائمی و فناوری الکترونیک قدرت، عملکرد همچنان بهبود می‌یابد، قیمت همچنان کاهش می‌یابد، موتور بدون جاروبک بیشتر توسعه می‌یابد، تقاضا بیشتر و بیشتر خواهد شد، در مقایسه با موتور ناهمزمان عمومی، مصرف برق موتور بدون جاروبک جدید 30٪ تا 35٪ کاهش یافته است تا نیازهای راندمان بالا، صرفه جویی در انرژی، کوچک، صرفه جویی در انرژی را برآورده کند.

اگرچه قیمت تمام شده موتورهای براشلس از موتورهای آسنکرون بالاتر است، اما به دلیل مصرف برق کم، راندمان بالا و کاهش هزینه های عملیاتی، از نقطه نظر صرفه جویی در انرژی، محبوبیت موتورهای براشلس قطعاً ترند The Times است. شرکت های بزرگ دنیا رقابت شدیدی را در زمینه موتورهای براشلس به راه انداخته اند. بنابراین، با بهبود عملکرد قطعات و مواد، عملکرد موتورهای براشلس نیز بسیار بهبود می یابد و رقابت سرعت توسعه فناوری برجسته تر خواهد شد.

3.2 موتور اولتراسونیک

موتور اولتراسونیک (موتور اولتراسونیک، موتور اولتراسونیک، مخفف USM) استفاده از اثر پیزوالکتریک معکوس مواد پیزوالکتریک است، به طوری که بدنه الاستیک (استاتور) در باند فرکانس مافوق صوت، برای تولید ارتعاش مکانیکی میکروسکوپی (فرکانس ارتعاش بالای 20 کیلوهرتز)، از طریق چرخاننده و اصطکاک stator ارتعاش میکروسکوپی در چرخش تک جهتی ماکرو (یا حرکت خطی) روتور (یا متحرک). این مفهوم موتور سنتی را که سرعت و گشتاور توسط اثر الکترومغناطیسی به دست می‌آید را می شکند و یکی دیگر از فناوری‌های جدید قابل توجه در توسعه فناوری میکرو موتور است.

در مقایسه با موتور سنتی، موتور اولتراسونیک دارای یک سری مزیت است: (1) ساختار ساده، از دو جزء اساسی تشکیل شده است: قطعات ارتعاشی و قطعات متحرک. (2) گشتاور حجم واحد بزرگ است که 10 برابر موتور سنتی با همان حجم است. (3) عملکرد سرعت پایین خوب است، سرعت را می توان به صفر تنظیم کرد، می تواند به طور مستقیم گشتاور زیادی را در سرعت کم تولید کند. (4) گشتاور ترمز بزرگ، ترمز اضافی مورد نیاز نیست. (5) ثابت زمانی مکانیکی کوچک، عملکرد سریع خوب؛ (6) بدون میدان مغناطیسی و الکتریکی، بدون تداخل الکترومغناطیسی و نویز الکترومغناطیسی.

در حال حاضر، بسیاری از شرکت ها در برخی از کشورهای خارجی مانند ژاپن کاربرد تجاری تجاری را به دست آورده اند. محصولات جدید موتورهای اولتراسونیک کانن، پاناسونیک، هیتاچی و سایر شرکت ها در دوربین های پیشرفته، دوربین های فیلمبرداری و ابزارهای نوری استفاده شده است. جهت توسعه فناوری موتور اولتراسونیک بهبود بیشتر کارایی است.

موتور اولتراسونیک یک اصل و ساختار جدید را اتخاذ می کند، نیازی به آهنربا و سیم پیچ ندارد، اما از اثر پیزوالکتریک معکوس مواد پیزوالکتریک و ارتعاش اولتراسونیک برای به دست آوردن مستقیم حرکت و نیرو (ممان) استفاده می کند. این مفهوم موتور را که سرعت و گشتاور با اثر الکترومغناطیسی تا کنون به دست می‌آید، می‌شکند و یک فناوری پیشرفته در خط مقدم علم کنونی جهان است. موتور الکترومغناطیسی به دلیل سونوگرافی دارای ویژگی های بسیاری است که موتور الکترومغناطیسی فاقد آن است، اگرچه اختراع و توسعه آن تنها 20 سال سابقه دارد، اما در هوافضا، رباتیک، خودرو، موقعیت یابی دقیق، تجهیزات پزشکی، ماشین آلات میکرو و سایر زمینه ها با موفقیت به کار گرفته شده است.

3.3 موتور یاتاقان فشار دینامیکی با سرعت بالا

با توسعه محصولات اطلاعاتی در جهت راندمان بالا، چگالی بالا و میکرو نازک، موتور بدون جاروبک آهنربای دائمی دقیق که از آن پشتیبانی می کند تا سرعت 8000 تا 50000r/min را دارد. یاتاقان‌های موتورهای پرسرعت نیز جایگزین یاتاقان‌های معمولی ساده با یاتاقان‌های فشار دینامیکی خواهند شد تا بر بسیاری از مشکلات فنی ناشی از سرعت بالا غلبه کنند. در مقایسه با بلبرینگ و یاتاقان ساده، یاتاقان فشار پویا مزایای بسیاری دارد. این می تواند نوسان شفت نامنظم را مهار کند، مقاومت در برابر ضربه، عمر طولانی، سر و صدای کم و غیره را بهبود بخشد.

موتور بلبرینگ فشار دینامیکی دارای دو نوع سیال و هوا است، سرعت کلی با یاتاقان فشار دینامیکی سیال کم است، با یاتاقان فشار دینامیکی هوا سرعت بالا است. اگرچه هنوز برخی از مشکلات فنی وجود دارد که باید بیشتر حل شوند، مسیر توسعه موتورهای یاتاقان فشار دینامیکی با سرعت بالا به طور کلی تأیید شده است.

3.4 موتور خطی

با توسعه سریع فناوری کنترل اتوماتیک، الزامات دقت موقعیت یابی سیستم های کنترل اتوماتیک مختلف بالاتر و بالاتر می رود و موتور چرخشی سنتی همراه با مجموعه ای از مکانیسم های تبدیل متشکل از دستگاه های حرکت خطی نمی تواند الزامات دقت را برآورده کند، درایو خطی مستقیم یکی از مطالب تحقیق در زمینه فناوری سروو درایو مدرن است، موتور خطی یکی از فناوری های کلیدی است. زمینه کاربرد موتور خطی نیز گسترده است، در نیاز به حرکت خطی دستگاه، استفاده از موتور خطی درایو مستقیم نسبت به موتور دوار برتری خواهد داشت. دقت کنترل را می توان بهبود بخشید زیرا مکانیسم تبدیل حرکت حذف شده است.

3.5 موتور سوپرمیکرو

فناوری میکرو موتور یک حوزه فناوری پیشرفته جدید از فناوری سیستم میکرو الکترومکانیکی (MEMS) است که در 20 سال گذشته توسعه یافته است، که با فناوری ریز ماشینکاری مبتنی بر سیلیکون مواد نیمه هادی مشخص می شود که برای تولید دستگاه هایی با عملکرد تبدیل انرژی و انتقال در محدوده اندازه از میلی متر تا میکرون استفاده می شود. ظهور فناوری MEMS جهشی انقلابی در فناوری تولید مکانیکی سنتی ایجاد کرده است.

اولترامیکروموتور دارای اصل الکترواستاتیک اولترامیکروموتور و الکترومغناطیسی است، زیرا اولترامیکروموتور الکترومغناطیسی بزرگتر از گشتاور اولترامیکروموتور الکترواستاتیک، راندمان تبدیل بالا، عمر طولانی است، در بسیاری از زمینه ها مانند آندوسکوپ ها، میکروربات ها و غیره استفاده شده است. در حال حاضر آمریکا، ژاپن، روسیه، آلمان و سایر کشورها نیروی انسانی، منابع مادی و مالی زیادی را برای انجام تحقیقات و کاربرد این فناوری سرمایه گذاری کرده اند و پیشرفت های زیادی داشته اند و برخی به عملی رسیده اند. به عنوان مثال، ژاپن شرکت توشیبا توسعه وزن 40mg، سرعت 60 ~ 1000r/min، ولتاژ 1.7V، قطر تنها 0.8mm در کوچکترین میکرو موتور جهان، مانند دانشگاه شانگهای Jiao Tong نیز در حال توسعه قطر 1mm میکرو موتور. می توان انتظار داشت که با توسعه و کاربرد فناوری نانوساخت، موتورهای سوپرمیکرو نیز توسعه زیادی پیدا کنند تا زمینه های کاربردی بیشتری داشته باشند.

3.6 موتور مولکولی

با توسعه MEMS، سیستم الکتریکی نانو (na2noelectromechanicalsystems، NEMS)، اندازه ویژگی ممکن است از چند صد تا چند نانومتر باشد، که برخی از آنها کاربردهای بالقوه مهمی در زمینه زیست پزشکی دارند. ریکی کی. سونگ و همکاران از دانشگاه کرنل در ایالات متحده، یک موتور بیومولکولی منفرد را با یک سیستم معدنی در مقیاس نانو ادغام کرد تا یک دستگاه نانومکانیکی هیبریدی را تشکیل دهد که توسط یک موتور مولکولی هدایت می‌شود. با هیدرولیز ATP (آدنوزین تری فسفات) در یک سیستم فعال، موتور بیومولکولی (با قطر کمتر از 8 نانومتر و طول 14 نانومتر) قادر به تولید حداکثر گشتاور 80 تا 100 pN·nm است که با اندازه و ثابت های مکانیکی ساختارهای نانومکانیکی امروزی سازگار است. انتظار می رود این فناوری جدید در پاکسازی عروق خونی نقش داشته باشد.

4 روند توسعه میکرو موتور

پس از ورود به قرن بیست و یکم، توسعه پایدار اقتصاد جهانی با دو موضوع کلیدی مواجه است ———— انرژی و حفاظت از محیط زیست، از یک سو، پیشرفت جامعه بشری، مردم نیازهای بالاتر و بالاتری برای کیفیت زندگی دارند و آگاهی از حفاظت از محیط زیست در حال قوی تر و قوی تر شدن است، زیرا موتور میکرو نه تنها در شرکت های صنعتی و معدنی استفاده می شود، بلکه به طور مستقیم در صنعت خودروسازی و ایمنی بیشتر استفاده می شود. امنیت اموال شخصی را به خطر می اندازد. لرزش، صدا و تداخل الکترومغناطیسی موتور به خطر عمومی آلودگی محیط زیست تبدیل می شود. راندمان موتور به طور مستقیم با مصرف انرژی و انتشار گازهای مضر مرتبط است، بنابراین الزامات بین المللی برای این شاخص های فنی بیش از پیش سختگیرانه تر است، توجه صنعت موتور در داخل و خارج از کشور را به خود جلب کرده است، از ساختار موتور، فرآیند، مواد، اجزای الکترونیکی، خطوط کنترل و طراحی الکترومغناطیسی و سایر جنبه های تحقیقات صرفه جویی در انرژی، موتور میکرو موتور جدید برای اجرای استانداردهای فنی بین المللی، دور جدید از عملکرد انرژی را برای اهداف دیگر از محصولات دیگر اجرا خواهد کرد. صرفه جویی و حفاظت از محیط زیست، و ارتقای پیشرفت های فنی مربوطه، مانند مهر زنی موتور جدید، طراحی سیم پیچ، بهبود ساختار تهویه و مواد مغناطیسی کم تلفات و نفوذپذیری بالا، مواد مغناطیسی دائمی خاکی کمیاب، فناوری کاهش نویز و لرزش، فناوری الکترونیک قدرت، فناوری کنترل، کاهش فناوری تداخل الکترومغناطیسی و سایر تحقیقات کاربردی.

با فرض تسریع روند جهانی شدن اقتصادی، کشورها به دو موضوع عمده صرفه جویی در انرژی و حفاظت از محیط زیست، تقویت مبادلات فنی و همکاری های بین المللی و سرعت بخشیدن به سرعت نوآوری های تکنولوژیک توجه بیشتری می کنند، روند توسعه فناوری میکرو موتور عبارت است از: (1) اتخاذ فناوری بالا و جدید و توسعه در جهت الکترونیک. (2) راندمان بالا، صرفه جویی در انرژی و توسعه سبز؛ (3) به قابلیت اطمینان بالا، توسعه سازگاری الکترومغناطیسی؛ (4) به سر و صدای کم، لرزش کم، هزینه کم، توسعه قیمت؛ (5) توسعه تخصصی، متنوع و هوشمند.

علاوه بر این، میکرو موتور مدولارسازی، ترکیبی، جهت مکاترونیک هوشمند و بدون برس، بدون هسته آهنی، جهت مغناطیسی دائمی است، به ویژه قابل توجه این است که با استفاده از میکرو موتور، محیط تغییر می کند، اصل الکترومغناطیسی سنتی موتور را نمی توان به طور کامل برآورده کرد. با دستاوردهای جدید رشته های مرتبط، از جمله اصول جدید و مواد جدید، توسعه موتورهای میکرو ویژه با اصول غیر الکترومغناطیسی به یک جهت مهم در توسعه موتور تبدیل شده است.