Động cơ vi mô đề cập đến nguyên lý, cấu trúc, hiệu suất, chức năng, v.v. khác với động cơ thông thường, khối lượng và công suất đầu ra là động cơ rất nhỏ. Nhìn chung, đường kính ngoài của động cơ vi mô không lớn hơn 130mm và công suất nằm trong khoảng từ hàng trăm miliwatt đến hàng trăm watt. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hiện đại và dân sự và hệ thống điều khiển của nó, như điều khiển pháo binh, dẫn đường tên lửa, lái máy bay tự động, máy công cụ CNC, điều khiển máy dệt thoi, điều khiển máy may công nghiệp, đo từ xa và điều khiển từ xa, thiết bị âm thanh và video, dụng cụ tự động và thiết bị ngoại vi máy tính, v.v., tất cả đều sử dụng một số lượng lớn động cơ vi mô.
Ngày nay, trong ứng dụng thực tế, động cơ vi mô đã được phát triển từ điều khiển khởi động đơn giản trước đây, mục đích cung cấp năng lượng, đến điều khiển chính xác tốc độ, vị trí, mô men xoắn, v.v., đặc biệt là trong tự động hóa công nghiệp, tự động hóa văn phòng và tự động hóa gia đình, hầu hết đều sử dụng công nghệ động cơ, công nghệ vi điện tử và công nghệ điện tử công suất kết hợp các sản phẩm cơ điện tử. Điện tử hóa là một xu hướng tất yếu trong sự phát triển của động cơ vi mô.
2 Lĩnh vực ứng dụng của động cơ vi mô（động cơ cốc rỗng )
Công nghệ động cơ vi mô hiện đại tích hợp một số công nghệ cao và mới như động cơ, máy tính, lý thuyết điều khiển và vật liệu mới, đang chuyển từ quân sự và công nghiệp sang cuộc sống hàng ngày. Vì vậy, việc phát triển công nghệ động cơ vi mô cần phải phù hợp với nhu cầu phát triển của các ngành công nghiệp trụ cột và công nghiệp công nghệ cao. Động cơ vi mô chủ yếu được sử dụng trong các khía cạnh sau:
2.1 Động cơ siêu nhỏ dùng cho đồ gia dụng
Để liên tục đáp ứng yêu cầu của người dùng và thích ứng với nhu cầu của thời đại thông tin, để đạt được sự tiết kiệm năng lượng, sự thoải mái, kết nối mạng, thông minh và thậm chí cả các thiết bị gia dụng mạng (thiết bị gia dụng thông tin), chu kỳ thay thế của thiết bị gia dụng rất nhanh và các yêu cầu về hiệu suất cao, tiếng ồn thấp, độ rung thấp, giá thấp, tốc độ điều chỉnh và trí thông minh được đưa ra cho động cơ hỗ trợ. Động cơ siêu nhỏ dùng cho thiết bị gia dụng chiếm 8% tổng số động cơ siêu nhỏ: bao gồm điều hòa, máy giặt, tủ lạnh, lò vi sóng, quạt điện, máy hút bụi, máy khử nước, v.v.
Nhu cầu hàng năm của thế giới là 450 đến 500 triệu chiếc (bộ), công suất động cơ như vậy không lớn nhưng rất đa dạng. Xu hướng phát triển của động cơ vi mô dùng cho thiết bị gia dụng là: ① Động cơ không chổi than nam châm vĩnh cửu sẽ dần thay thế động cơ không đồng bộ một pha; ② Tối ưu hóa thiết kế, nâng cao chất lượng và hiệu quả sản phẩm; ③ Áp dụng cơ cấu mới và công nghệ mới để nâng cao hiệu quả sản xuất.
2.2 Động cơ vi mô cho thiết bị xử lý thông tin
Thiết bị xử lý thông tin có động cơ siêu nhỏ chiếm 29%: bao gồm thông tin đầu vào, lưu trữ, xử lý, đầu ra, dẫn truyền và các liên kết khác, trong đó có thiết bị truyền thông. Thế giới cần 1,5 tỷ (bộ) mỗi năm, chủ yếu là động cơ DC nam châm vĩnh cửu, động cơ DC không chổi than, động cơ bước, động cơ đồng bộ vi mô, v.v. Sản lượng máy vi tính (PC) hàng năm đạt khoảng 100 triệu chiếc vào năm 2000.2005 dự kiến sẽ là 200 triệu chiếc, để hỗ trợ các thành phần chính của nhu cầu động cơ vi mô, yêu cầu ngày càng cao. Hầu hết các động cơ này là động cơ không chổi than nam châm vĩnh cửu chính xác và động cơ bước chính xác.
Đặc điểm và hướng phát triển của chúng là:
(1) Sản phẩm đầu tư cao Loại động cơ này có yêu cầu rất cao về độ ổn định tốc độ và độ đảo của trục quay nên loại động cơ này là sự kết hợp giữa công nghệ sản xuất tiên tiến và công nghệ điện tử công suất mới nổi của sản phẩm công nghệ cao, đầu tư cao, thường tập trung vào phát triển quốc tế và sản xuất của các công ty lớn.
(2) Thu nhỏ và không ổn định Để đáp ứng nhu cầu thu nhỏ và tính di động của các sản phẩm thông tin, các yêu cầu thu nhỏ và không ổn định được đưa ra cho các động cơ hỗ trợ của chúng.
(3) Tốc độ cao Với sự cải thiện liên tục về mật độ lưu trữ của các thiết bị ngoại vi máy tính, yêu cầu tốc độ động cơ hỗ trợ phải trên 8000r/min.
2.3 Động cơ vi mô cho ô tô
Động cơ siêu nhỏ cho ô tô chiếm 13%, bao gồm máy phát điện khởi động, động cơ gạt nước, động cơ điều hòa không khí và quạt làm mát, đồng hồ tốc độ điện, động cơ nâng cửa sổ và động cơ khóa cửa. Năm 2000, sản lượng ô tô trên thế giới là khoảng 54 triệu chiếc, trung bình 15 động cơ/xe và toàn thế giới cần 810 triệu chiếc.
Trọng tâm phát triển công nghệ động cơ vi mô ô tô:
(1) Hiệu suất cao, lực cao, tiết kiệm năng lượng thông qua lựa chọn vật liệu từ tính tốc độ cao, hiệu suất cao, phương tiện làm mát hiệu quả cao và nâng cao hiệu quả của bộ điều khiển cũng như các biện pháp khác để cải thiện hiệu quả hoạt động của nó.
(2) Thông minh để đạt được động cơ và bộ điều khiển thông minh của ô tô, để ô tô chạy ở trạng thái tốt nhất, đạt mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu.
2.4 Micro motor cho thiết bị âm thanh
Thiết bị âm thanh có động cơ siêu nhỏ chiếm 18%, bao gồm máy ghi âm, máy ghi âm, đĩa video VCD, DVD. Nhu cầu trên toàn thế giới là hơn 1 tỷ đơn vị mỗi năm. Hiện nay, sản xuất trong nước chiếm khoảng 60%, chủ yếu là động cơ cuộn dây in, động cơ đĩa cuộn, v.v.
2.5 Động cơ siêu nhỏ cho thiết bị video
Thiết bị video có động cơ siêu nhỏ chiếm 7%, bao gồm máy ảnh, máy ảnh, v.v. Nhu cầu hàng năm của thế giới là 350 đến 400 triệu chiếc (bộ), những động cơ như vậy có độ chính xác cao, việc sản xuất và xử lý rất khó khăn, đặc biệt là sau khi bước vào kỹ thuật số, động cơ đưa ra những yêu cầu khắt khe hơn.
2.6 Động cơ vi mô truyền động và điều khiển điện công nghiệp
Loại động cơ vi mô này chiếm 2%, bao gồm máy công cụ CNC, bộ điều khiển, robot, v.v. Chủ yếu dành cho động cơ servo AC, động cơ bước công suất, động cơ DC tốc độ rộng, động cơ không chổi than AC, v.v. Loại động cơ này có nhiều chủng loại, yêu cầu kỹ thuật cao, là loại động cơ có nhu cầu trong nước nhanh hơn.
2.7 Động cơ vi mô chuyên dụng
Loại động cơ này chiếm khoảng 23%, bao gồm chuyến bay hàng không vũ trụ, các loại máy bay, vũ khí và thiết bị tự động, thiết bị y tế, v.v. Các động cơ này hầu hết là động cơ đặc biệt hoặc động cơ mới, bao gồm các động cơ khác với nguyên lý điện từ chung về nguyên lý, cấu tạo và chế độ hoạt động, chủ yếu là động cơ đồng bộ tốc độ thấp, động cơ điều hòa, động cơ góc giới hạn, động cơ siêu âm, động cơ vi sóng, động cơ điện dung, động cơ tĩnh điện, v.v. Trong số đó, động cơ siêu âm, động cơ vi sóng, động cơ điện dung và động cơ tĩnh điện là những động cơ đặc biệt khác với động cơ thông thường về nguyên lý, cấu tạo và hoạt động. Sự xuất hiện và phát triển của các loại động cơ này gắn liền với sự phát triển của công nghệ điện tử và công nghệ điều khiển.
3 Micro motor công nghệ sản phẩm mới
Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ và yêu cầu mới của ứng dụng thực tế, đã có nhiều loại động cơ vi mô đặc biệt khác với động cơ điện từ truyền thống. Họ áp dụng các khái niệm, phương pháp, cấu trúc và nguyên tắc thiết kế mới.
3.1 Động cơ không chổi than nam châm vĩnh cửu
Động cơ không chổi than là hướng phát triển của động cơ vi mô, được ứng dụng trong lĩnh vực thông tin, thiết bị gia dụng, âm thanh và video, giao thông vận tải, v.v. Với sự phát triển nhanh chóng của vật liệu nam châm vĩnh cửu và công nghệ điện tử công suất, hiệu suất tiếp tục được cải thiện, giá tiếp tục giảm, động cơ không chổi than sẽ được phát triển hơn nữa, nhu cầu sẽ ngày càng lớn, so với động cơ không đồng bộ nói chung, động cơ không chổi than mới tiêu thụ điện năng giảm 30% ~ 35%, đáp ứng yêu cầu về hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng, trọng lượng nhỏ, nhẹ.
Mặc dù giá thành của động cơ không chổi than cao hơn động cơ không đồng bộ nhưng do tiêu thụ điện năng nhỏ, hiệu suất cao và chi phí vận hành giảm, nhưng từ quan điểm tiết kiệm năng lượng, sự phổ biến của động cơ không chổi than chắc chắn sẽ là xu hướng của The Times. Các công ty lớn trên thế giới đã phát động cuộc cạnh tranh khốc liệt trong lĩnh vực động cơ không chổi than. Do đó, với việc cải thiện hiệu suất của các thành phần và vật liệu, hiệu suất của động cơ không chổi than cũng sẽ được cải thiện đáng kể và sự cạnh tranh về tốc độ phát triển công nghệ sẽ trở nên nổi bật hơn.
3.2 Động cơ siêu âm
siêu âm (động cơ siêu âm, động cơ siêu âm, viết tắt USM) là việc sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch đảo của vật liệu áp điện, để thân đàn hồi (stator) trong dải tần siêu âm tạo ra rung động cơ học vi mô (tần số rung trên 20kHz), thông qua ma sát giữa stato và rôto (hoặc có thể di chuyển được), dao động vi mô của stato vào rôto (hoặc chuyển động được) chuyển động quay một hướng vĩ mô (hoặc chuyển động tuyến tính). Nó phá vỡ khái niệm về động cơ truyền thống cho rằng tốc độ và mô-men xoắn có được nhờ hiệu ứng điện từ, đồng thời là một công nghệ mới đáng chú ý khác trong quá trình phát triển công nghệ động cơ vi mô.
So với động cơ truyền thống, động cơ siêu âm có một loạt ưu điểm: (1) cấu trúc đơn giản, bao gồm hai bộ phận cơ bản: bộ phận rung và bộ phận chuyển động; (2) mô-men xoắn khối lượng đơn vị lớn, gấp 10 lần so với động cơ truyền thống có cùng thể tích; (3) Hiệu suất tốc độ thấp là tốt, tốc độ có thể được điều chỉnh về 0, có thể trực tiếp tạo ra mô-men xoắn lớn ở tốc độ thấp; (4) Mô men phanh lớn, không cần phanh thêm; (5) Hằng số thời gian cơ học nhỏ, hiệu suất nhanh tốt; (6) Không có từ trường và điện trường, không có nhiễu điện từ và nhiễu điện từ.
Hiện nay, nhiều công ty ở một số nước ngoài như Nhật Bản đã có được ứng dụng thương mại thực tế. Các sản phẩm động cơ siêu âm mới của Canon, Panasonic, Hitachi và các công ty khác đã được sử dụng trong các máy ảnh, máy quay phim và dụng cụ quang học tiên tiến. Hướng phát triển của công nghệ động cơ siêu âm là nâng cao hơn nữa hiệu quả.
Động cơ siêu âm áp dụng nguyên lý và cấu trúc mới, không cần nam châm và cuộn dây mà sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch đảo của vật liệu áp điện và rung động siêu âm để trực tiếp thu được chuyển động và lực (momen). Nó phá vỡ quan niệm về động cơ cho rằng tốc độ và mô-men xoắn có được nhờ hiệu ứng điện từ từ trước đến nay và là công nghệ công nghệ cao đi đầu trong khoa học thế giới hiện nay. Do siêu âm, động cơ có nhiều đặc điểm mà động cơ điện từ không có, mặc dù phát minh và phát triển của nó chỉ mới có 20 năm lịch sử, nhưng trong ngành hàng không vũ trụ, robot, ô tô, định vị chính xác, thiết bị y tế, máy móc vi mô và các lĩnh vực khác đã được áp dụng thành công.
3.3 Động cơ chịu áp động tốc độ cao
Với sự phát triển của các sản phẩm thông tin theo hướng hiệu quả cao, mật độ cao và siêu mỏng, động cơ không chổi than nam châm vĩnh cửu chính xác hỗ trợ nó có tốc độ lên tới 8000 ~ 50000r/phút. Vòng bi của động cơ tốc độ cao cũng sẽ thay thế vòng bi trơn truyền thống bằng vòng bi áp suất động để khắc phục nhiều vấn đề kỹ thuật do tốc độ cao gây ra. So với ổ bi và ổ trượt, ổ bi chịu áp lực động có nhiều ưu điểm. Nó có thể ức chế sự xoay trục không đều, cải thiện khả năng chống va đập, tuổi thọ cao, độ ồn thấp, v.v.
Động cơ mang áp suất động có hai loại chất lỏng và không khí, tốc độ chung thấp với ổ trục áp suất động chất lỏng, tốc độ cao với ổ trục áp suất động không khí. Mặc dù vẫn còn một số vấn đề kỹ thuật cần giải quyết thêm, nhưng hướng phát triển của động cơ chịu áp suất động tốc độ cao nhìn chung đã được xác nhận.
3.4 Động cơ tuyến tính
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điều khiển tự động, yêu cầu về độ chính xác định vị của các hệ thống điều khiển tự động khác nhau ngày càng cao hơn và động cơ quay truyền thống kết hợp với một bộ cơ cấu biến đổi bao gồm các thiết bị chuyển động tuyến tính không thể đáp ứng yêu cầu về độ chính xác, truyền động tuyến tính trực tiếp là một trong những nội dung nghiên cứu công nghệ truyền động servo hiện đại, động cơ tuyến tính là một trong những công nghệ chủ chốt. Lĩnh vực ứng dụng của động cơ tuyến tính cũng rộng, trong nhu cầu chuyển động tuyến tính của thiết bị thì việc sử dụng động cơ tuyến tính truyền động trực tiếp sẽ ưu việt hơn động cơ quay. Độ chính xác điều khiển có thể được cải thiện do cơ chế biến đổi chuyển động bị bỏ qua.
3.5 Động cơ siêu nhỏ
Công nghệ vi cơ là một lĩnh vực công nghệ cao mới của công nghệ hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) được phát triển trong 20 năm qua, đặc trưng là công nghệ gia công vi mô trên cơ sở vật liệu bán dẫn silicon, dùng để chế tạo các thiết bị có chức năng chuyển đổi và truyền năng lượng trong phạm vi kích thước từ milimet đến micron. Sự xuất hiện của công nghệ MEMS đã tạo nên bước nhảy vọt mang tính cách mạng trong công nghệ sản xuất cơ khí truyền thống.
Ultramicromotor có nguyên lý tĩnh điện của ultramicromotor và ultramicromotor điện từ, bởi vì ultramicromotor điện từ lớn hơn mô-men xoắn ultramicromotor tĩnh điện, hiệu suất chuyển đổi cao, tuổi thọ cao nên đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nội soi, microrobot, v.v. Hiện nay, Hoa Kỳ, Nhật Bản, Nga, Đức và các nước khác đã đầu tư rất nhiều nhân lực, vật chất và tài chính để thực hiện nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này và đã đạt được những tiến bộ vượt bậc, một số đã đạt được thành tựu thực tế. Ví dụ, công ty Toshiba của Nhật Bản đã phát triển trọng lượng 40mg, tốc độ 60 ~ 1000r/phút, điện áp 1,7V, đường kính chỉ 0,8mm trong động cơ vi mô nhỏ nhất thế giới, chẳng hạn như Đại học Giao thông Thượng Hải cũng đang phát triển động cơ vi mô có đường kính 1mm. Có thể kỳ vọng rằng với sự phát triển và ứng dụng của công nghệ chế tạo nano, động cơ supermicro cũng sẽ được phát triển vượt bậc, nhờ đó chúng có nhiều lĩnh vực ứng dụng hơn.
3.6 Động cơ phân tử
Xuất hiện cùng với sự phát triển của MEMS, hệ thống điện nano (na2noelectromechanicalsystems, NEMS), kích thước đặc trưng có thể từ vài trăm đến vài nanomet, một số có tiềm năng ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực y sinh. Ricky K. Soong và cộng sự. từ Đại học Cornell ở Hoa Kỳ đã tích hợp một động cơ phân tử sinh học duy nhất với hệ thống vô cơ có kích thước nano để tạo thành một thiết bị cơ học nano lai được điều khiển bởi một động cơ phân tử. Bằng cách thủy phân ATP (adenosine triphosphate) trong một hệ thống hoạt động, động cơ phân tử sinh học (đường kính dưới 8nm và chiều dài 14nm) có khả năng tạo ra mô-men xoắn cực đại từ 80 đến 100pN·nm, tương thích với kích thước và hằng số cơ học của cấu trúc cơ nano có thể được sản xuất ngày nay. Công nghệ mới này được kỳ vọng sẽ đóng vai trò trong việc làm sạch mạch máu.
4 xu hướng phát triển động cơ vi mô
Sau khi bước vào thế kỷ 21, sự phát triển bền vững của nền kinh tế thế giới đang phải đối mặt với hai vấn đề then chốt --—— năng lượng và bảo vệ môi trường, một mặt là sự tiến bộ của xã hội loài người, con người ngày càng có yêu cầu cao hơn về chất lượng cuộc sống và nhận thức về bảo vệ môi trường ngày càng mạnh mẽ hơn, bởi vì động cơ vi mô không chỉ được sử dụng trong các doanh nghiệp công nghiệp và khai thác mỏ mà còn được sử dụng trong các ngành thương mại và dịch vụ, đặc biệt là ngày càng có nhiều sản phẩm đi vào gia đình trong cuộc sống nên sự an toàn của động cơ gây nguy hiểm trực tiếp đến sự an toàn của tài sản cá nhân; Độ rung, tiếng ồn và nhiễu điện từ của động cơ sẽ trở thành mối nguy hiểm gây ô nhiễm môi trường chung. Hiệu suất của động cơ liên quan trực tiếp đến mức tiêu thụ năng lượng và khí thải độc hại, do đó, các yêu cầu quốc tế đối với các chỉ số kỹ thuật này ngày càng nghiêm ngặt hơn, đã thu hút sự chú ý của ngành công nghiệp ô tô trong và ngoài nước, từ cấu trúc, quy trình, vật liệu, linh kiện điện tử, dây chuyền điều khiển và thiết kế điện từ và các khía cạnh khác của nghiên cứu bảo tồn năng lượng, dòng sản phẩm mới của động cơ vi mô trên cơ sở hiệu suất kỹ thuật xuất sắc. thiết kế, cải tiến cấu trúc thông gió và vật liệu từ tính tổn thất thấp và độ thấm cao, vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm, công nghệ giảm tiếng ồn và độ rung, công nghệ điện tử công suất, công nghệ điều khiển, công nghệ giảm nhiễu điện từ và nghiên cứu ứng dụng khác.
Với tiền đề thúc đẩy xu hướng toàn cầu hóa kinh tế, các nước chú ý hơn đến hai vấn đề lớn là tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, tăng cường trao đổi và hợp tác kỹ thuật quốc tế, đồng thời đẩy nhanh tốc độ đổi mới công nghệ, xu hướng phát triển của công nghệ động cơ vi mô là: (1) áp dụng công nghệ cao, mới và phát triển theo hướng điện tử; (2) Hiệu quả cao, tiết kiệm năng lượng và phát triển xanh; (3) Để có độ tin cậy cao, phát triển khả năng tương thích điện từ; (4) Để có tiếng ồn thấp, độ rung thấp, chi phí thấp, giá cả phát triển; (5) Phát triển chuyên môn hóa, đa dạng, thông minh.
Ngoài ra, động cơ vi mô được mô đun hóa, kết hợp, hướng cơ điện tử thông minh và không chổi than, không có lõi sắt, hướng từ hóa vĩnh cửu, đặc biệt đáng chú ý là với ứng dụng của động cơ vi mô, môi trường thay đổi, nguyên lý điện từ truyền thống của động cơ không thể được thỏa mãn hoàn toàn. Với những thành tựu mới của các ngành liên quan, bao gồm các nguyên tắc mới và vật liệu mới, việc phát triển động cơ vi mô đặc biệt với nguyên lý phi điện từ đã trở thành một hướng phát triển động cơ quan trọng.
