Mikrosilnik odnosi się do zasady, struktury, wydajności, funkcji itd. Różni się od konwencjonalnego silnika, a głośność i moc wyjściowa są bardzo małymi silnikami. Ogólnie rzecz biorąc, zewnętrzna średnica mikrosilnika nie jest większa niż 130 mm, a moc waha się od setek miliwatów do setek watów. Jest szeroko stosowany w nowoczesnym sprzęcie wojskowym i cywilnym oraz jego systemie sterowania, takim jak sterowanie artylerią, naprowadzanie rakiet, automatyczne pilotowanie samolotów, obrabiarki CNC, sterowanie krosnem bez wahadłowym, sterowanie przemysłową maszyną do szycia, telemetria i zdalne sterowanie, sprzęt audio i wideo, instrumenty automatyczne i urządzenia peryferyjne komputerowe itp., z których wszystkie wykorzystują dużą liczbę mikrosilników.
Obecnie, w praktycznych zastosowaniach, mikrosilniki zostały opracowane od prostego sterowania rozruchem, w celu zapewnienia mocy, do precyzyjnego sterowania jego prędkością, położeniem, momentem obrotowym itp., Szczególnie w automatyce przemysłowej, automatyce biurowej i automatyce domowej, prawie wszystkie wykorzystują technologię silników, technologię mikroelektroniki i technologię energoelektroniki w połączeniu z produktami mechatroniki. Elektronizacja jest nieuniknionym trendem w rozwoju mikrosilników.
2 Obszar zastosowania mikrosilnika (silnik z pustym kubkiem )
Nowoczesna technologia mikrosilników łączy szereg zaawansowanych i nowych technologii, takich jak silniki, komputery, teoria sterowania i nowe materiały, i przenosi się z zastosowań wojskowych i przemysłowych do życia codziennego. Dlatego rozwój technologii mikrosilników powinien być dostosowany do potrzeb rozwojowych gałęzi przemysłu filarowego i zaawansowanych technologii. Mikrosilnik jest używany głównie w następujących aspektach:
2.1 Mikrosilniki specjalne do sprzętu AGD
Aby stale spełniać wymagania użytkowników i dostosowywać się do potrzeb ery informacyjnej, aby osiągnąć oszczędność energii, komfort, łączność sieciową, inteligencję, a nawet sieciowe urządzenia gospodarstwa domowego (informacyjne urządzenia gospodarstwa domowego), cykl wymiany sprzętu gospodarstwa domowego jest bardzo szybki, a dla silnika pomocniczego stawiane są wymagania dotyczące wysokiej wydajności, niskiego poziomu hałasu, niskich wibracji, niskiej ceny, regulowanej prędkości i inteligencji. Mikrosilniki do sprzętu AGD stanowią 8% ogólnej liczby mikrosilników: m.in. klimatyzatorów, pralek, lodówek, kuchenek mikrofalowych, wentylatorów elektrycznych, odkurzaczy, odwadniaczy itp.
Roczne światowe zapotrzebowanie na 450 do 500 milionów jednostek (zestawów), taka moc silników nie jest duża, ale bardzo zróżnicowana. Trendy rozwojowe mikrosilników do sprzętu AGD są następujące: ① silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi będą stopniowo zastępować jednofazowe silniki asynchroniczne; ② Zoptymalizuj projekt, popraw jakość i wydajność produktu; ③ Przyjęcie nowej struktury i nowej technologii w celu poprawy wydajności produkcji.
2.2 Mikrosilnik do sprzętu przetwarzającego informacje
Sprzęt do przetwarzania informacji wyposażony w mikrosilniki stanowił 29%: obejmował wprowadzanie, przechowywanie, przetwarzanie, wysyłanie, przewodzenie i inne łącza, w tym sprzęt komunikacyjny. Świat potrzebuje 1,5 miliarda (zestawów) rocznie, głównie silników prądu stałego z magnesami trwałymi, bezszczotkowych silników prądu stałego, silników krokowych, silników mikrosynchronicznych i tak dalej. Oczekuje się, że roczna produkcja mikrokomputerów (PC) na poziomie około 100 milionów sztuk w latach 2000-2005 wyniesie 200 milionów sztuk, ze względu na rosnące wymagania dotyczące kluczowych elementów zapotrzebowania na mikrosilniki. Większość z tych silników to precyzyjne silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi i precyzyjne silniki krokowe.
Ich charakterystyka i kierunki rozwoju to:
(1) Produkty o wysokich inwestycjach Ten typ silnika ma bardzo wysokie wymagania dotyczące stabilności prędkości i bicia wału obrotowego, dlatego ten typ silnika stanowi połączenie zaawansowanej technologii produkcyjnej i powstającej technologii elektroniki mocy z zaawansowanych technologicznie produktów o wysokich inwestycjach, zazwyczaj skoncentrowanych na międzynarodowym rozwoju i produkcji dużych firm.
(2) Miniaturyzacja i niestabilność Aby sprostać potrzebom miniaturyzacji i przenośności produktów informacyjnych, stawiane są wymagania dotyczące miniaturyzacji i niestabilności ich silników pomocniczych.
(3) Wysoka prędkość W związku z ciągłym ulepszaniem gęstości przechowywania urządzeń peryferyjnych komputerów wymagane jest, aby prędkość silnika pomocniczego przekraczała 8000 obr./min.
2.3 Mikrosilnik samochodowy
Mikrosilniki do samochodów stanowiły 13%, w tym rozruszniki, silniczki do wycieraczek, silniki do klimatyzacji i wentylatorów chłodzących, elektryczne prędkościomierze, podnośniki szyb i silniczki do zamków drzwi. W 2000 r. światowa produkcja samochodów wynosiła około 54 miliony, średnio 15 silników na pojazd, a na całym świecie potrzeba było 810 milionów.
Główny nacisk na rozwój technologii mikrosilników samochodowych:
(1) Wysoka wydajność, duża siła, oszczędność energii dzięki szybkiemu i wydajnemu doborowi materiału magnetycznego, wysokowydajnym sposobom chłodzenia i poprawie wydajności sterownika oraz innym środkom poprawiającym jego efektywność działania.
(2) Inteligentny, aby osiągnąć inteligentny silnik i sterownik samochodu, dzięki czemu samochód będzie działał w najlepszym stanie, aby osiągnąć minimalne zużycie energii.
2.4 Mikrosilnik do sprzętu audio
Sprzęt audio wyposażony w mikrosilniki stanowił 18%, w tym gramofony, nagrywarki, dyski wideo VCD i DVD. Światowy popyt przekracza 1 miliard sztuk rocznie. Obecnie produkcja krajowa stanowi około 60%, głównie drukowane silniki uzwojeniowe, silniki tarczowe uzwojeń i tak dalej.
2,5 Mikrosilnik do sprzętu wideo
Sprzęt wideo z mikrosilnikami stanowił 7%, w tym kamery, kamery i tak dalej. Roczne zapotrzebowanie świata na 350 do 400 milionów jednostek (zestawów), takie silniki są precyzyjne, produkcja i przetwarzanie są trudne, zwłaszcza po wejściu na rynek cyfrowy, silnik stawia bardziej rygorystyczne wymagania.
2.6 Mikrosilnik do przemysłowego napędu i sterowania elektrycznego
Ten rodzaj mikrosilników stanowi 2%, w tym obrabiarki CNC, manipulatory, roboty itp. Głównie do serwomotoru prądu przemiennego, silnika krokowego mocy, silnika prądu stałego o dużej prędkości, silnika bezszczotkowego prądu przemiennego i tak dalej. Ten rodzaj silnika ma wiele odmian, wysokie wymagania techniczne i jest klasą silników o szybszym zapotrzebowaniu krajowym.
2.7 Mikrosilnik specjalnego przeznaczenia
Ten typ silnika stanowi około 23%, w tym loty kosmiczne, różne statki powietrzne, broń i sprzęt automatyczny, sprzęt medyczny i tak dalej. Takie silniki to przeważnie silniki specjalne lub nowe silniki, w tym silniki różniące się od ogólnej zasady elektromagnetycznej pod względem zasady, budowy i trybu pracy, głównie silniki synchroniczne o niskiej prędkości, silniki harmoniczne, silniki o ograniczonym kącie, silniki ultradźwiękowe, silniki mikrofalowe, silniki pojemnościowe, silniki elektrostatyczne itp. Wśród nich silnik ultradźwiękowy, silnik mikrofalowy, silnik pojemnościowy i silnik elektrostatyczny to silniki specjalne, które różnią się od silników ogólnych zasadą, konstrukcją i działaniem. Pojawienie się i rozwój tych silników są ściśle związane z rozwojem technologii elektronicznej i technologii sterowania.
3 Nowa technologia produktu w postaci mikrosilnika
Wraz z ciągłym postępem nauki i technologii oraz nowymi wymaganiami zastosowań praktycznych, pojawiło się wiele mikrosilników specjalnych, które różnią się od tradycyjnych silników elektromagnetycznych. Przyjmują nowatorskie koncepcje projektowe, metody, struktury i zasady.
3.1 Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi
Silnik bezszczotkowy to kierunek rozwoju mikrosilnika, który znalazł zastosowanie w dziedzinie informacji, sprzętu gospodarstwa domowego, sprzętu audio i wideo, transportu i tak dalej. Wraz z szybkim rozwojem materiałów z magnesami trwałymi i technologii elektroniki mocy, wydajność stale się poprawia, cena nadal spada, silnik bezszczotkowy będzie dalej rozwijany, popyt będzie coraz większy w porównaniu z ogólnym silnikiem asynchronicznym, pobór mocy nowego silnika bezszczotkowego spadł o 30% ~ 35%, aby spełnić wymagania dotyczące wysokiej wydajności, oszczędności energii, małej i lekkiej wagi.
Chociaż cena silników bezszczotkowych jest wyższa niż silników asynchronicznych, ze względu na małe zużycie energii, wysoką wydajność i obniżone koszty eksploatacji, z punktu widzenia oszczędzania energii popularność silników bezszczotkowych z pewnością będzie trendem The Times. Największe światowe firmy rozpoczęły zaciętą konkurencję w dziedzinie silników bezszczotkowych. Dlatego wraz z poprawą wydajności komponentów i materiałów znacznie poprawi się również wydajność silników bezszczotkowych, a konkurencja w zakresie szybkości rozwoju technologii będzie bardziej widoczna.
3.2 Silnik ultradźwiękowy
silnik ultradźwiękowy (silnik ultradźwiękowy, silnik ultradźwiękowy, w skrócie USM) polega na wykorzystaniu odwrotnego efektu piezoelektrycznego materiałów piezoelektrycznych, dzięki czemu elastyczny korpus (stojan) w paśmie częstotliwości ultradźwiękowej wytwarza mikroskopijne wibracje mechaniczne (częstotliwość drgań powyżej 20 kHz), poprzez tarcie między stojanem a wirnikiem (lub ruchomym), mikroskopijne wibracje stojana do wirnika (lub ruchomego) makro-rotacji w jednym kierunku (lub ruchu liniowego). Przełamuje koncepcję tradycyjnego silnika, w którym prędkość i moment obrotowy są uzyskiwane w wyniku efektu elektromagnetycznego, i stanowi kolejną niezwykłą nową technologię w rozwoju technologii mikrosilników.
W porównaniu z tradycyjnym silnikiem, silnik ultradźwiękowy ma szereg zalet: (1) prostą konstrukcję, składa się z dwóch podstawowych elementów: części wibracyjnych i części ruchomych; (2) jednostkowy moment obrotowy jest duży, 10 razy większy niż w przypadku tradycyjnego silnika o tej samej objętości; (3) Dobra wydajność przy niskiej prędkości, prędkość można ustawić na zero, może bezpośrednio generować duży moment obrotowy przy niskiej prędkości; (4) Duży moment hamowania, nie jest wymagany dodatkowy hamulec; (5) Mała mechaniczna stała czasowa, dobra szybka wydajność; (6) Brak pól magnetycznych i elektrycznych, brak zakłóceń elektromagnetycznych i szumu elektromagnetycznego.
Obecnie wiele firm w niektórych krajach, takich jak Japonia, uzyskało komercyjne zastosowanie praktyczne. Nowe produkty silników ultradźwiękowych firm Canon, Panasonic, Hitachi i innych firm znalazły zastosowanie w zaawansowanych aparatach, kamerach i instrumentach optycznych. Kierunkiem rozwoju technologii silników ultradźwiękowych jest dalsza poprawa wydajności.
Silnik ultradźwiękowy przyjmuje nową zasadę i strukturę, nie potrzebuje magnesów i cewek, ale wykorzystuje odwrotny efekt piezoelektryczny materiałów piezoelektrycznych i wibracje ultradźwiękowe, aby bezpośrednio uzyskać ruch i siłę (moment). Przełamuje dotychczasową koncepcję silnika, zgodnie z którą prędkość i moment obrotowy są uzyskiwane w wyniku efektu elektromagnetycznego, i stanowi zaawansowaną technologię znajdującą się w czołówce aktualnej światowej nauki. Dzięki ultradźwiękom silnik ma wiele cech, których nie ma silnik elektromagnetyczny, chociaż jego wynalezienie i rozwój to dopiero 20 lat historii, ale z powodzeniem zastosowano w lotnictwie, robotyce, samochodach, precyzyjnym pozycjonowaniu, sprzęcie medycznym, mikromaszynach i innych dziedzinach.
3.3 Szybki silnik z dynamicznym łożyskiem dociskowym
Wraz z rozwojem produktów informacyjnych w kierunku wysokiej wydajności, dużej gęstości i mikrocienkiości, precyzyjny bezszczotkowy silnik z magnesami trwałymi, który go obsługuje, osiąga prędkość do 8000 ~ 50000r/min. Łożyska silników o dużej prędkości zastąpią również tradycyjne łożyska ślizgowe łożyskami o dynamicznym docisku, aby przezwyciężyć wiele problemów technicznych spowodowanych dużą prędkością. W porównaniu z łożyskiem kulkowym i łożyskiem ślizgowym, dynamiczne łożysko dociskowe ma wiele zalet. Może hamować nieregularne wahania wału, poprawiać odporność na uderzenia, długą żywotność, niski poziom hałasu i tak dalej.
Silnik z dynamicznym łożyskiem ciśnieniowym ma dwa rodzaje płynu i powietrza, ogólna prędkość jest niska w przypadku dynamicznego łożyska ciśnieniowego, duża prędkość w przypadku dynamicznego łożyska pneumatycznego. Chociaż nadal istnieją pewne problemy techniczne wymagające dalszego rozwiązania, ogólnie potwierdzono kierunek rozwoju szybkich silników z łożyskami dynamicznymi.
3.4 Silnik liniowy
Wraz z szybkim rozwojem technologii automatycznego sterowania wymagania dotyczące dokładności pozycjonowania różnych systemów automatycznego sterowania są coraz wyższe, a tradycyjny silnik obrotowy w połączeniu z zestawem mechanizmu transformacji złożonego z urządzeń ruchu liniowego nie jest w stanie spełnić wymagań dotyczących dokładności, bezpośredni napęd liniowy jest jednym z treści badań nad nowoczesną technologią serwonapędów, silnik liniowy jest jedną z kluczowych technologii. Obszar zastosowań silnika liniowego jest również szeroki, w przypadku potrzeby ruchu liniowego urządzenia, zastosowanie silnika liniowego z napędem bezpośrednim będzie lepsze niż silnika obrotowego. Można poprawić precyzję sterowania poprzez pominięcie mechanizmu transformacji ruchu.
Silnik 3,5 Supermicro
Technologia mikrosilników to nowa, zaawansowana dziedzina technologii systemów mikroelektromechanicznych (MEMS), opracowana w ciągu ostatnich 20 lat, charakteryzująca się technologią mikroobróbki opartą na materiale półprzewodnikowym krzem, wykorzystywana do wytwarzania urządzeń z funkcjami konwersji i transmisji energii w zakresie wielkości od milimetrów do mikronów. Pojawienie się technologii MEMS spowodowało rewolucyjny krok w tradycyjnej technologii produkcji mechanicznej.
Ultramikromotor działa na zasadzie elektrostatycznej ultramikromotoru i ultramikromotoru elektromagnetycznego, ponieważ ultramikromotor elektromagnetyczny jest większy niż elektrostatyczny moment obrotowy ultramikromotoru, ma wysoką wydajność konwersji, długą żywotność, był stosowany w wielu dziedzinach, takich jak endoskopy, mikroroboty i tak dalej. Obecnie Stany Zjednoczone, Japonia, Rosja, Niemcy i inne kraje zainwestowały dużo siły roboczej, zasobów materialnych i finansowych w badania i zastosowanie tej technologii i poczyniły ogromne postępy, a niektóre osiągnęły poziom praktyczny. Na przykład japońska firma Toshiba opracowała najmniejszy na świecie mikrosilnik o wadze 40 mg, prędkości 60 ~ 1000 obr./min, napięciu 1,7 V i średnicy zaledwie 0,8 mm. Uniwersytet Jiao Tong w Szanghaju również opracowuje mikrosilnik o średnicy 1 mm. Można się spodziewać, że wraz z rozwojem i zastosowaniem technologii nanofabrykacji, silniki supermicro również zostaną znacznie rozwinięte, dzięki czemu będą miały więcej obszarów zastosowań.
3.6 Silnik molekularny
Pojawił się wraz z rozwojem MEMS, nano układu elektrycznego (na2noelectromechanicalsystems, NEMS), którego rozmiary mogą wynosić od kilkuset do kilku nanometrów, a niektóre z nich mają ważne potencjalne zastosowania w dziedzinie biomedycyny. RickyK. Soong i in. z Cornell University w Stanach Zjednoczonych zintegrowali pojedynczy silnik biomolekularny z układem nieorganicznym w skali nano, tworząc hybrydowe urządzenie nanomechaniczne napędzane silnikiem molekularnym. Hydrolizując ATP (trifosforan adenozyny) w układzie aktywnym, silnik biomolekularny (o średnicy poniżej 8 nm i długości 14 nm) jest w stanie wygenerować maksymalny moment obrotowy od 80 do 100 pN·nm, zgodny z rozmiarem i stałymi mechanicznymi struktur nanomechanicznych, które można obecnie wytworzyć. Oczekuje się, że ta nowa technologia odegra rolę w oczyszczaniu naczyń krwionośnych.
4 trend rozwoju mikrosilników
Po wejściu w XXI wiek zrównoważony rozwój gospodarki światowej stoi przed dwoma kluczowymi kwestiami ———— energia i ochrona środowiska, z jednej strony postęp społeczeństwa ludzkiego, ludzie mają coraz wyższe wymagania dotyczące jakości życia, a świadomość ochrony środowiska staje się coraz silniejsza, ponieważ mikrosilnik jest wykorzystywany nie tylko w przedsiębiorstwach przemysłowych i górniczych, ale także w przemyśle handlowym i usługowym, zwłaszcza więcej produktów trafiło do rodziny Na żywo, więc bezpieczeństwo silnika bezpośrednio zagraża bezpieczeństwu mienia osobistego; Wibracje, hałas i zakłócenia elektromagnetyczne silnika staną się publicznym zagrożeniem w postaci zanieczyszczenia środowiska. Sprawność silnika jest bezpośrednio związana ze zużyciem energii i emisją szkodliwych gazów, dlatego międzynarodowe wymagania dotyczące tych wskaźników technicznych są coraz bardziej rygorystyczne, przyciągają uwagę przemysłu motoryzacyjnego w kraju i za granicą, począwszy od konstrukcji silnika, procesu, materiałów, komponentów elektronicznych, przewodów sterujących i konstrukcji elektromagnetycznej oraz innych aspektów badań nad oszczędzaniem energii, nowej serii produktów mikrosilników w oparciu o doskonałe parametry techniczne. Z drugiej strony wdroży odpowiednie międzynarodowe standardy w celu oszczędzania energii i ochrony środowiska oraz będzie promować odpowiedni postęp technologiczny, taki jak tłoczenie nowych silników, projektowanie uzwojeń, ulepszanie struktury wentylacji oraz materiały magnetyczne o niskich stratach i wysokiej przepuszczalności, materiały z magnesami trwałymi ziem rzadkich, technologia redukcji hałasu i wibracji, technologia energoelektroniki, technologia sterowania, technologia redukcji zakłóceń elektromagnetycznych i inne badania aplikacyjne.
Zgodnie z założeniem przyspieszania trendu globalizacji gospodarczej, kraje zwracają większą uwagę na dwie główne kwestie: oszczędzanie energii i ochronę środowiska, wzmacniają międzynarodową wymianę techniczną i współpracę oraz przyspieszają tempo innowacji technologicznych, trend rozwojowy technologii mikrosilników jest następujący: (1) przyjmuje wysokie i nowe technologie oraz rozwija się w kierunku elektroniki; (2) Wysoka wydajność, oszczędność energii i ekologiczny rozwój; (3) Do wysokiej niezawodności, rozwoju kompatybilności elektromagnetycznej; (4) Do niskiego poziomu hałasu, niskich wibracji, niskich kosztów, rozwoju cen; (5) Do wyspecjalizowanego, zróżnicowanego, inteligentnego rozwoju.
Ponadto mikrosilnik to modularyzacja, kombinacja, inteligentny kierunek mechatroniki i bezszczotkowy, bez żelaznego rdzenia, kierunek magnesowania trwałego, szczególnie godne uwagi jest to, że wraz z zastosowaniem mikrosilnika zmienia się środowisko, tradycyjna zasada elektromagnetyczna silnika nie może być w pełni spełniona. Wraz z nowymi osiągnięciami pokrewnych dziedzin, w tym nowymi zasadami i nowymi materiałami, rozwój mikrosilników specjalnych na zasadach nieelektromagnetycznych stał się ważnym kierunkiem rozwoju silników.
