מה זה מיקרו מנוע? שימוש במנוע מיקרו (מנועי גביע חלולים)

מנוע מיקרו  מתייחס לעיקרון, למבנה, לביצועים, לתפקוד וכן הלאה שונים מהמנוע הרגיל, והנפח והספק המוצא הם מנוע מאוד קטן. באופן כללי, הקוטר החיצוני של מנוע המיקרו אינו גדול מ-130 מ'מ, וההספק הוא בין מאות מיליווטים למאות וואט. נעשה בו שימוש נרחב בציוד מודרני צבאי ואזרחי ובמערכת הבקרה שלו, כגון בקרת ארטילריה, הנחיית טילים, טיסות אוטומטיות במטוסים, כלי מכונת CNC, בקרת נול ללא מעבורת, בקרת מכונות תפירה תעשייתיות, טלמטריה ושלט רחוק, ציוד אודיו ווידאו, מכשירים אוטומטיים וציוד היקפי למחשב וכו', כולם משתמשים במספר רב של מיקרו מנועים.

כיום, ביישומים מעשיים, פותחו מנועי מיקרו מהעבר בקרת התנעה פשוטה, שמטרתה לספק כוח, ועד לשליטה מדויקת של מהירות, מיקומו, מומנט וכו', במיוחד באוטומציה תעשייתית, אוטומציה משרדית ואוטומציה ביתית, כמעט כולם משתמשים בטכנולוגיית מנועים, טכנולוגיית מיקרו-אלקטרוניקה וטכנולוגיית אלקטרוניקה משולבת במוצרי מכטרוניקה. אלקטרוניזציה היא מגמה בלתי נמנעת בפיתוח של מיקרו מנועים.

2 שדה יישום של מנוע מיקרו（מנוע כוס חלולה )

טכנולוגיית מיקרו מוטור מודרנית משלבת מספר טכנולוגיות גבוהות וחדשות כגון מנועים, מחשבים, תורת בקרה וחומרים חדשים, ועוברת מצבא ותעשייתי לחיי היומיום. לכן, יש להתאים את הפיתוח של טכנולוגיית המיקרו מוטורית לצרכי הפיתוח של תעשיות עמודים ותעשיות היי-טק. מנוע מיקרו משמש בעיקר בהיבטים הבאים:

2.1 מיקרו מנועים מיוחדים למכשירי חשמל ביתיים

על מנת לענות באופן רציף על דרישות המשתמשים ולהתאים את עצמם לצרכי עידן המידע, להשיג חיסכון באנרגיה, נוחות, רשתות, מודיעין ואפילו רשתות מכשירי חשמל ביתיים (מכשירי מידע ביתיים), מחזור ההחלפה של מכשירי חשמל ביתיים הוא מהיר מאוד, והדרישות של יעילות גבוהה, רעש נמוך, רעידות נמוך, מחיר נמוך, מהירות מתכווננת ואינטליגנציה מובאות למנוע התומך. מיקרו מנועים למכשירי חשמל ביתיים מהווים 8% מסך מנועי המיקרו: כולל מזגנים, מכונות כביסה, מקררים, תנורי מיקרוגל, מאווררים חשמליים, שואבי אבק, מכונות פיזור וכו'.

הביקוש השנתי של העולם ל-450 עד 500 מיליון יחידות (סטים), כוח מנוע כזה אינו גדול, אלא מגוון רחב. מגמות הפיתוח של מיקרו מנועים למכשירי חשמל ביתיים הם: ① מנועים ללא מברשות מגנט קבוע יחליפו בהדרגה מנועים אסינכרוניים חד פאזיים; ② ייעול עיצוב, שיפור איכות ויעילות המוצר; ③ לאמץ מבנה חדש וטכנולוגיה חדשה כדי לשפר את יעילות הייצור.

2.2 מנוע מיקרו לציוד לעיבוד מידע

ציוד לעיבוד מידע עם מיקרו מנועים היווה 29%: כולל הזנת מידע, אחסון, עיבוד, פלט, הולכה וקישורים נוספים, לרבות ציוד תקשורת. העולם צריך 1.5 מיליארד (סטים) בשנה, בעיקר מנועי DC מגנט קבוע, מנועי DC ללא מברשות, מנועי צעד, מנועי מיקרו סינכרוניים וכן הלאה. התפוקה השנתית של מיקרו-מחשבים (PC) של כ-100 מיליון יחידות בשנת 2000,2005 צפויה להיות 200 מיליון יחידות, בשל רכיבי המפתח התומכים בביקוש המיקרו-מנועי, הדרישות הגבוהות יותר ויותר. רוב המנועים הללו הם מנועים נטולי מברשות מגנט קבוע ומנועי צעד מדויקים.

המאפיינים וכיווני הפיתוח שלהם הם:

(1) מוצרים בהשקעה גבוהה לסוג זה של מנוע דרישות גבוהות מאוד ליציבות המהירות וההרצה של הציר המסתובב, כך שסוג זה של מנוע הוא שילוב של טכנולוגיית ייצור מתקדמת וטכנולוגיית אלקטרוניקה מתפתחת של מוצרי היי-טק, השקעה גבוהה, המרוכזים בדרך כלל בפיתוח וייצור בינלאומי של חברות גדולות.

(2) מזעור ומתקלף על מנת לענות על צורכי המזעור והניוד של מוצרי מידע, מוצעות דרישות מזעור וקלקול עבור המנועים התומכים שלהם.

(3) מהירות גבוהה עם שיפור מתמיד של צפיפות האחסון של ציוד היקפי למחשב, נדרש שמהירות המנוע התומך תהיה מעל 8000 r/min.

2.3 מנוע מיקרו לרכב

מיקרו מנועים לרכב היוו 13%, כולל גנרטורים לסטרטר, מנועי מגבים, מנועים למאווררי מיזוג אוויר וקירור, מדי מהירות חשמליים, מרימי חלונות ומנועי נעילת דלתות. בשנת 2000, ייצור הרכב בעולם היה כ-54 מיליון, עם ממוצע של 15 מנועים לכל רכב, והיה צורך ב-810 מיליון ברחבי העולם.

התמקדות בפיתוח טכנולוגיית מיקרו-מנוע לרכב:

(1) יעילות גבוהה, כוח גבוה, חיסכון באנרגיה באמצעות בחירת חומרים מגנטיים במהירות גבוהה וביצועים גבוהים, אמצעי קירור ביעילות גבוהה ושיפור יעילות הבקר ואמצעים אחרים לשיפור יעילות הפעולה שלו.

(2) אינטליגנטי להשיג מנוע ובקר אינטליגנטי של המכונית, כך שהמכונית פועלת במצב הטוב ביותר, כדי להשיג את צריכת האנרגיה המינימלית.

2.4 מנוע מיקרו לציוד שמע

ציוד אודיו עם מיקרו מנועים היווה 18%, כולל נגני תקליטים, מקליטים, תקליטורי וידאו VCD ו-DVD. הביקוש העולמי הוא יותר ממיליארד יחידות בשנה. נכון לעכשיו, הייצור המקומי היווה כ-60%, בעיקר מנוע מתפתל מודפס, מנוע דיסק מתפתל וכן הלאה.

מנוע מיקרו 2.5 לציוד וידאו

ציוד וידאו עם מיקרו מנועים היווה 7%, כולל מצלמות, מצלמות וכן הלאה. הביקוש השנתי של העולם ב-350 עד 400 מיליון יחידות (סט), מנועים כאלה הם דיוק, ייצור ועיבוד קשה, במיוחד לאחר הכניסה הדיגיטלית, המנוע הציג דרישות תובעניות יותר.

מנוע מיקרו 2.6 להנעה ובקרה חשמליים תעשייתיים

סוג זה של מנוע מיקרו מהווה 2%, כולל מכונות CNC, מניפולטורים, רובוטים וכו'. בעיקר עבור מנוע AC סרוו, מנוע צעדי כוח, מנוע DC במהירות רחבה, מנוע ללא מברשות AC וכן הלאה. לסוג זה של מנוע יש סוגים רבים, דרישות טכניות גבוהות, והוא סוג של מנוע עם ביקוש מקומי מהיר יותר.

2.7 מנוע מיקרו ייעודי מיוחד

סוג זה של מנוע מהווה כ-23%, כולל טיסות תעופה וחלל, מטוסים שונים, נשק וציוד אוטומטיים, ציוד רפואי וכן הלאה. מנועים כאלה הם לרוב מנועים מיוחדים או מנועים חדשים, לרבות מנועים שונים מהעיקרון האלקטרומגנטי הכללי בעקרון, מבנה ומצב פעולה, בעיקר מנועים סינכרוניים במהירות נמוכה, מנועים הרמוניים, מנועי זווית מוגבלת, מנועים אולטראסוניים, מנועי מיקרוגל, מנועים קיבוליים, מנועים אלקטרוסטטיים וכו'. מנועים באופן עקרוני, מבנה ותפעול. הופעתם ופיתוחם של מנועים אלו קשורים קשר הדוק להתפתחות הטכנולוגיה האלקטרונית וטכנולוגיית הבקרה.

3 Micro motor טכנולוגיית מוצר חדש

עם ההתקדמות המתמשכת של המדע והטכנולוגיה והדרישות החדשות של יישומים מעשיים, היו מגוון של מנועים מיקרו-מיוחדים ששונים ממנועים אלקטרומגנטיים מסורתיים. הם מאמצים תפיסות עיצוב חדשות, שיטות, מבנים ועקרונות.

3.1 מנוע ללא מברשות מגנט קבוע

מנוע ללא מברשות הוא כיוון הפיתוח של מיקרו מנוע, אשר יושם בתחומי המידע, מכשירי חשמל ביתיים, אודיו ווידאו, תחבורה וכן הלאה. עם ההתפתחות המהירה של חומרי מגנט קבוע וטכנולוגיית אלקטרוניקה כוח, הביצועים ממשיכים להשתפר, המחיר ממשיך לרדת, מנוע ללא מברשות יפותח יותר, הביקוש יהיה גדול יותר ויותר, בהשוואה למנוע האסינכרוני הכללי, צריכת החשמל של המנוע ללא מברשות החדש ירדה ב-30% ~ 35%, כדי לעמוד בדרישות של יעילות גבוהה, חיסכון באנרגיה, קטן, קל משקל.

למרות שמחיר העלות של מנועים ללא מברשות גבוה מזה של מנועים אסינכרוניים, בשל צריכת חשמל קטנה, יעילות גבוהה ועלויות תפעול מופחתות, מנקודת מבט של חיסכון באנרגיה, הפופולריות של מנועים ללא מברשות חייבת להיות הטרנד של The Times. החברות הגדולות בעולם פתחו בתחרות עזה בתחום המנועים ללא מברשות. לכן, עם שיפור ביצועי הרכיבים והחומרים, ישתפרו מאוד גם ביצועי המנועים חסרי המברשת, ותהיה בולטת יותר תחרות המהירות של הפיתוח הטכנולוגי.

3.2 מנוע אולטראסוני

ultrasonicmotor (ultrasonicmotor, ultrasonicmotor, קיצור USM) הוא השימוש בהשפעה הפיזואלקטרית ההפוכה של חומרים פיזואלקטריים, כך שהגוף האלסטי (סטטור) בפס התדרים האולטראסוני מייצר רטט מכני מיקרוסקופי (תדירות רטט מעל 20kHz), דרך החיכוך בין הסטטור המיקרוסקופ (הסטטור הניתן לתנועה) ולרטט הרוטט לתוך הרוטור (או הנייד) מאקרו סיבוב בכיוון אחד (או תנועה ליניארית). זה שובר את התפיסה של המנוע המסורתי לפיו המהירות והמומנט מתקבלים על ידי האפקט האלקטרומגנטי, ומהווה עוד טכנולוגיה חדשה ויוצאת דופן בפיתוח טכנולוגיית מיקרו-מוטור.

בהשוואה למנוע המסורתי, למנוע קולי יש סדרה של יתרונות: (1) מבנה פשוט, הוא מורכב משני מרכיבים בסיסיים: חלקי רטט וחלקים נעים; (2) מומנט נפח היחידה גדול, שהוא פי 10 מזה של המנוע המסורתי באותו נפח; (3) ביצועי מהירות נמוכה טובים, ניתן לכוונן את המהירות לאפס, ניתן להפיק ישירות מומנט גדול במהירות נמוכה; (4) מומנט בלימה גדול, אין צורך בבלם נוסף; (5) קבוע זמן מכני קטן, ביצועים מהירים טובים; (6) ללא שדות מגנטיים וחשמליים, ללא הפרעות אלקטרומגנטיות ורעש אלקטרומגנטי.

נכון לעכשיו, חברות רבות בחלק ממדינות זרות כמו יפן השיגו יישום מעשי מסחרי. מוצרים חדשים של מנועים קוליים של קנון, פנסוניק, היטאצ'י וחברות אחרות שימשו במצלמות מתקדמות, מצלמות וידיאו ומכשור אופטי. כיוון הפיתוח של טכנולוגיה מוטורית קולית הוא לשפר עוד יותר את היעילות.

המנוע האולטראסוני מאמץ עיקרון ומבנה חדש, אינו זקוק למגנטים ולסלילים, אלא משתמש באפקט הפיאזואלקטרי ההפוך של חומרים פיזואלקטריים ורטט אולטראסוני כדי להשיג ישירות תנועה וכוח (רגע). הוא שובר את הרעיון של המנוע שהמהירות והמומנט מתקבלים על ידי האפקט האלקטרומגנטי עד כה, ומהווה טכנולוגיית היי-טק בחזית המדע העולמי הנוכחי. בשל אולטרסאונד, למנוע מאפיינים רבים שאין למנוע האלקטרומגנטי, למרות שהמצאתו ופיתוחו הם רק 20 שנות היסטוריה, אך בתחומי התעופה והחלל, רובוטיקה, רכב, מיקום מדויק, ציוד רפואי, מכונות מיקרו ותחומים נוספים יושמו בהצלחה.

3.3 מנוע מיסב לחץ דינמי במהירות גבוהה

עם הפיתוח של מוצרי מידע בכיוון של יעילות גבוהה, צפיפות גבוהה ודק מיקרו, למנוע המגנט הקבוע המברשת הדיוק התומך בו יש מהירות של עד 8000 ~ 50000r/min. המסבים של מנועים מהירים יחליפו גם מיסבים חלקים מסורתיים במיסבי לחץ דינמיים כדי להתגבר על בעיות טכניות רבות הנגרמות כתוצאה ממהירות גבוהה. בהשוואה למיסב כדורי ולמיסב רגיל, למיסב לחץ דינמי יש יתרונות רבים. זה יכול לעכב תנודת פיר לא סדירה, לשפר את עמידות הפגיעה, חיים ארוכים, רעש נמוך וכן הלאה.

למנוע נושא לחץ דינמי יש שני סוגים של נוזל ואוויר, המהירות הכללית נמוכה עם מיסב לחץ דינמי נוזלי, מהירות גבוהה עם מיסב לחץ דינמי באוויר. למרות שעדיין ישנן כמה בעיות טכניות שצריך לפתור עוד יותר, כיוון הפיתוח של מנועי נושאי לחץ דינמיים במהירות גבוהה אושר בדרך כלל.

3.4 מנוע לינארי

עם ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית הבקרה האוטומטית, דרישות דיוק המיקום של מערכות בקרה אוטומטיות שונות הולכות וגדלות יותר ויותר, והמנוע הסיבובי המסורתי בשילוב עם סט של מנגנון טרנספורמציה המורכב ממכשירי תנועה ליניארית לא יכול לעמוד בדרישות הדיוק, הנעה ליניארית ישירה היא אחד מהתכנים של מחקר טכנולוגיית כונן סרוו מודרנית, מנוע ליניארי הוא אחת הטכנולוגיות המרכזיות. תחום היישום של מנוע ליניארי הוא גם רחב, בצורך בתנועה ליניארית של המכשיר, השימוש במנוע ליניארי הנעה ישירה יהיה עדיף על המנוע הסיבובי. ניתן לשפר את דיוק הבקרה מכיוון שמנגנון שינוי התנועה מושמט.

מנוע סופר מיקרו 3.5

טכנולוגיית מיקרו-מוטורי היא תחום היי-טק חדש של טכנולוגיית מערכת מיקרו-אלקטרו-מכאנית (MEMS) שפותחה ב-20 השנים האחרונות, המתאפיינת בטכנולוגיית מיקרו-עיבוד המבוססת על סיליקון של חומר מוליכים למחצה, המשמשת לייצור מכשירים בעלי פונקציות המרת אנרגיה והעברת אנרגיה בטווח הגדלים שבין מילימטר למיקרון. הופעתה של טכנולוגיית MEMS עשתה קפיצת מדרגה מהפכנית בטכנולוגיית הייצור המכני המסורתי.

ל-Ultramicromotor יש את העיקרון האלקטרוסטטי של אולטרה-מיקרו-מונוע ו-Ultra-מיקרו-מוטור אלקטרו-מגנטי, מכיוון שה-Ultra-מיקרו-מנוע האלקטרו-מגנטי גדול יותר מהמומנט האולטרא-מיקרו-מוטורי האלקטרוסטטי, יעילות המרה גבוהה, חיים ארוכים, הוא יושם בתחומים רבים כגון אנדוסקופים, מיקרו-רובוטים וכן הלאה. נכון לעכשיו, ארצות הברית, יפן, רוסיה, גרמניה ומדינות אחרות השקיעו כוח אדם, חומר ומשאבים כספיים רבים כדי לבצע את המחקר והיישום של טכנולוגיה זו, ועשו התקדמות רבה, וחלקם הגיעו למעשיים. לדוגמה, חברת Toshiba היפנית פיתחה משקל של 40 מ'ג, מהירות 60 ~ 1000 r/min, מתח 1.7V, קוטר של 0.8 מ'מ בלבד במנוע המיקרו הקטן בעולם, כמו אוניברסיטת Shanghai Jiao Tong מפתחת גם קוטר של 1 מ'מ מיקרו מנוע. ניתן לצפות שעם הפיתוח והיישום של טכנולוגיית ננו-ייצור, גם מנועי סופר-מיקרו יתפתחו מאוד, כך שיהיו להם יותר תחומי יישום.

3.6 מנוע מולקולרי

הופיעו עם הפיתוח של MEMS, מערכת ננו חשמלית (na2noelectromechanicalsystems, NEMS), גדלי תכונה עשויים להיות מכמה מאות עד כמה ננומטרים, שלחלקם יש יישומים פוטנציאליים חשובים בתחום הביו-רפואי. RickyK. סונג וחב'. מאוניברסיטת קורנל בארצות הברית שילב מנוע ביו-מולקולרי יחיד עם מערכת אנאורגנית בקנה מידה ננו-אורגני ליצירת מכשיר ננו-מכני היברידי המונע על ידי מנוע מולקולרי. על ידי הידרוליזה של ATP (אדנוזין טריפוספט) במערכת פעילה, המנוע הביו-מולקולרי (פחות מ-8 ננומטר בקוטר ו-14 ננומטר באורך) מסוגל לייצר מומנט מרבי של 80 עד 100pN·nm, תואם לגודל ולקבועים המכניים של מבנים ננו-מכניים שניתן לייצר כיום. טכנולוגיה חדשה זו צפויה למלא תפקיד בניקוי כלי הדם.

מגמת התפתחות מוטורית של 4 מיקרוים

לאחר הכניסה למאה ה-21, הפיתוח בר-קיימא של הכלכלה העולמית מתמודד עם שני נושאים מרכזיים ———— הגנה על אנרגיה וסביבה, מצד אחד, התקדמות החברה האנושית, לאנשים יש דרישות גבוהות יותר ויותר לאיכות חיים, והמודעות לשמירה על הסביבה מתחזקת ומתעצמת, כי המנוע המיקרו משמש לא רק במפעלי תעשייה וכרייה, אלא גם נכנס למוצרים המסחריים והשירותים, ובמיוחד בתעשיית הבטיחות של המשפחה, המנוע מסכן ישירות את בטיחות הרכוש האישי; הרטט, הרעש וההפרעות האלקטרומגנטיות של המנוע יהפכו למפגע הציבורי של זיהום הסביבה. יעילות המנוע קשורה ישירות לצריכת אנרגיה ופליטת גזים מזיקים, כך שהדרישות הבינלאומיות לאינדיקטורים טכניים אלו מחמירות יותר ויותר, משכה את תשומת הלב של תעשיית המנועים בארץ ובחו'ל, ממבנה המנוע, התהליך, החומרים, הרכיבים האלקטרוניים, קווי הבקרה והתכנון האלקטרומגנטי והיבטים נוספים של מחקר חיסכון באנרגיה, מיקרו-מנוע סבב ביצועים טכניים חדשים של מוצרים בינלאומיים ייישמו בסטנדרטים בינלאומיים מעולים של מוצרים אחרים, חיסכון והגנה על הסביבה, וקידום התקדמות טכנולוגית רלוונטית, כגון הטבעת מנוע חדשה, עיצוב מתפתל, שיפור מבנה אוורור וחומרים מגנטיים עם אובדן נמוך וחדירות גבוהה, חומרים מגנטים קבועים של אדמה נדירה, טכנולוגיית הפחתת רעשים ורעידות, טכנולוגיית אלקטרוניקה, טכנולוגיית בקרה, הפחתת טכנולוגיית הפרעות אלקטרומגנטיות ומחקר יישומים אחר.

תחת הנחת היסוד של האצת מגמת הגלובליזציה הכלכלית, מדינות נותנות תשומת לב רבה יותר לשני הנושאים העיקריים של חיסכון באנרגיה והגנת הסביבה, מחזקות חילופים טכניים ושיתוף פעולה בינלאומיים, ומאיצות את קצב החדשנות הטכנולוגית, מגמת הפיתוח של טכנולוגיית מיקרו-מוטור היא: (1) לאמץ טכנולוגיה גבוהה וחדשה ולהתפתח בכיוון האלקטרוני; (2) יעילות גבוהה, חיסכון באנרגיה ופיתוח ירוק; (3) לאמינות גבוהה, פיתוח תאימות אלקטרומגנטית; (4) לרעש נמוך, רטט נמוך, עלות נמוכה, פיתוח מחירים; (5) לפיתוח מיוחד, מגוון, אינטליגנטי.

בנוסף, מנוע מיקרו הוא מודולריזציה, שילוב, כיוון מכטרוניקה אינטליגנטי וללא מברשות, ללא ליבת ברזל, כיוון מגנטיזציה קבוע, ראוי לציין במיוחד שעם היישום של מנוע מיקרו, הסביבה משתנה, לא ניתן לספק את העיקרון האלקטרומגנטי המסורתי של המנוע במלואו. עם ההישגים החדשים של דיסציפלינות קשורות, כולל עקרונות חדשים וחומרים חדשים, פיתוח של מנועים מיקרו-מיוחדים עם עקרונות לא אלקטרומגנטיים הפך לכיוון חשוב של התפתחות מוטורית.