微特電機產業(yè)綜述與展望

(廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東廣州 510006)

0 引言

微特電機是一種具有特殊性能和特殊用途的微型特種電機，它屬于綜合了電機理論、微電子、電力電子、計算機科學、控制工程理論、精密機械和新材料等多門學科的技術密集型行業(yè)，是典型的機電一體化產品[1]～[5]。微特電機的用途十分廣泛，最常用在各種工業(yè)控制系統(tǒng)中，起到實現機電信號或能量檢測、放大等作用，還可作為機械負載的傳動裝置和電源。隨著世界經濟形式持續(xù)變好，各國制造業(yè)逐漸受到重視，相應的出臺相關政策支持制造業(yè)的發(fā)展，如作為世界八大工業(yè)國之一的德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部在漢諾威工業(yè)博覽會上提出工業(yè)4.0規(guī)劃；美國通用電氣公司在2013年6月提出工業(yè)互聯網概念；中國政府在2015年初提出中國制造2025，將信息技術和制造業(yè)深度融合，驅動制造業(yè)轉型升級，加快中國由制造業(yè)大國向制造業(yè)強國轉型[6]～[9]。與此同時，微特電機技術也取得了較大的進步。

我國微特電機技術發(fā)展經歷了由弱到強的過程。從初期仿制發(fā)達國家電機產品到重視自主研發(fā)，研究方向實現四個轉變[10]：微特電機運行環(huán)境從簡單變?yōu)閺碗s、低壓轉為高壓和單一機組轉變多機組綜合。我國微特電機全面發(fā)展始于1950年，大致可分為起步階段、向歐美發(fā)達國家學習階段、快速發(fā)展階段。起步階段主要是向前蘇聯學習，當時蘇聯的電機理論、生產工藝以及技術的微特電機體系在中國延續(xù)下來；到1979年左右中國同美國等歐洲國家開始正常的外交關系，中國不斷向西方發(fā)達國家學習先進的電機理論，使得這一時期我國的微特電機領域得到極大發(fā)展，同時我國微特電機的理論體系逐步向歐美體系發(fā)生轉變，逐漸向世界擁有先進的電機技術理論的國家看齊；現階段我國更加重視科學技術研究、研發(fā)能力和核心理論體系建設，相繼出臺了《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》、《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要》等相應政策以支持相關產業(yè)發(fā)展。同時國家對提高微特電機效率的要求，也推動了微特電機產業(yè)的發(fā)展[11]。

本文針對近年來國內外微特電機技術理論的新方案、新進展，對微特電機研究現狀、應用領域、研發(fā)動態(tài)等方面進行綜述，并對結合未來新理論、新結構電機的發(fā)展趨勢對微特電機技術進行綜述。

1 微特電機產業(yè)國內外現狀

1.1 國外現狀

在傳統(tǒng)產業(yè)穩(wěn)步發(fā)展的同時，能源互聯網、第五代移動通信網絡等新領域也在快速發(fā)展。微特電機作為這些新系統(tǒng)和新技術的基本元件，需求量不斷增大且對微特電機的標準提高了。在世界各國的微特電機產業(yè)中，日本處在產業(yè)鏈的頂端[12]，是世界先進微特電機的典型代表，分別體現在以下幾種微特電機產品領域中。在IT產品的微特電機領域中，技術含量最高和其次的微特電機中，全球只有四家企業(yè)能實現對前一種電機的生產，日本電產就是其中之一，且其市場占有率超過80%，而后一種電機在全球也只有四家企業(yè)能生產，其中日本電產市場占有率達到75%。在汽車微特電機領域中，日本電產、阿斯莫、三葉、電裝、萬寶在2009年的市場占有率超過了50%，歐洲的主要產商是德國的博澤。美國是汽車大國，但是主要是通過向中國和日本采購微特電機。電產作為微特電機領域的霸主，分別在2010年8月和2010年12月分別收購了艾默生中大型電機業(yè)務和三洋精密。

國外微特電機產業(yè)正在發(fā)生巨大變化，具體概括為以下幾個方面。一是產品逐漸向網絡化、輕薄短小化、永磁化、無鐵芯化、無刷化、驅動電機一體化、低電壓化、智能化和高性能化趨勢發(fā)展；二是生產技術向集約化、柔性化、自動化、專業(yè)化以及生產協作配套化網絡發(fā)展；三是測試技術向高效和自動化發(fā)展；四是大型精密、復雜、長壽命模具向高技術含量模具發(fā)展。

1.2 國內現狀

近年來，在我國較為寬松的大環(huán)境下微特電機產業(yè)取得較大的發(fā)展，長三角、珠三角和環(huán)渤海灣三大地區(qū)已經成為我國重要的微特電機生產基地和出口基地。三個基地中微特電機生產商大致可分為三類，一是外國獨資企業(yè)，隨著微特電機生產銷售日益全球化，外部競爭激烈，國外的微特電機生產商都在我國的大陸投資建廠，實現產品的規(guī)?；a，這一類企業(yè)在我國的微特電機產業(yè)中發(fā)展最快，同時也有一個共同特點即產品研發(fā)仍留在本國；二是國有微特電機廠，在1978年我國改革開放后，這類電機廠由于生產經營體制和管理制度的不適應，缺乏市場競爭力，最后導致某些國有電機廠破產兼并，生存狀況堪憂；三是民營企業(yè)，這類企業(yè)的特點是競爭力日漸顯著、機制靈活、市場應變能力強，因而民營經濟得到較快的發(fā)展，但都是小企業(yè)，規(guī)模不大。據統(tǒng)計[12]，2011～2012年期間年銷售額2000萬以上的企業(yè)銷售總額達3000億元，2011～2012年中國微特電機制造業(yè)具體經濟效益情況見表1。

表1 2011～2012年中國微特電機制造業(yè)經濟效益表

總體來說，我國微特電機存在以下特點

(1)我國是微特電機生產大國不是強國。在2010年，我國(含香港和臺灣)微特電機的總產量約為60億臺，占全球微特電機生產總量的60%左右。但我國能夠生產的微特電機產品整體上技術性不強，產品檔次不高多屬于中低檔產品；獨資企業(yè)的產品屬于中檔產品。技術含量較高的產品仍未轉移我國大陸進行生產，比如光盤驅動器用的精度無刷電動機、高精度步進電機、片狀電極、高精度高性能伺服和新結構、新原理電機等高技術產品。

(2)微特電機進出口增速均較快。據統(tǒng)計，在2000～2009年我國微特電機出口額年均增長率為6.52%，每年以兩位數的速度增長，微特電機已是電子元件行業(yè)出口的支柱產業(yè)，但我國微特電機的進口增速也較快，這說明我國微特電機產業(yè)結構不合理，無法生產高端的微特電機產品，主要依賴進口。

(3)與發(fā)達國家相比，我國微特電機產業(yè)的整體生產水平較低。從原材料到成品電機已有一套屬于我國的生產制造體系，且逐步重視生產制造的每一步，比如國家將永磁材料的研發(fā)列為國家高新技術；國內微特電機廠商不斷向發(fā)達國家引進先進設備；成立專業(yè)的模具設計制造單位。但是總體上均與發(fā)達國家的生產制造水平有較大差距，電機產品的質量和檔次均有待改善。

(4)電機技術創(chuàng)新的上、中、下游的對接耦合有待進一步改善。進一步來說就是電機研發(fā)與電機實際生產存在一定的脫節(jié)。在我國有很多從事微特電機研發(fā)、試制和測驗的高校和電機研究所，對微特電機的研究不亞于國際先進水平，科研團隊在國內外均具有一定的知名度。但大學、研究所和企業(yè)之間聯系不夠密切，進而三者的優(yōu)勢和強項均不能合理開發(fā)利用，最直接的結果是導致我國無法盡快擺脫是生產大國不是生產強國的困境。

2 微特電機各應用領域特點分析

微特電機廣泛應用在各個領域，需求量大。一個國家的發(fā)展水平可以通過每個家庭擁有的微特電機數量來衡量，在西方發(fā)達國家每戶家庭平均擁有50～100臺微特電機，在我國大城市的每戶家庭平均擁有10～30臺左右。微特電機的應用領域在一定程度上反應了社會發(fā)展水平， 微特電機在各個領域的使用數量情況如圖1 所示。

圖1 各領域微特電機使用情況

根據微特電機應用領域的不同，將其分為信息產業(yè)類用微特電機、視聽設備用微特電機、車用微特電機、家用電器用微特電機和其他用微特電機[13]。下面詳細分析信息產業(yè)類用、家用電器用微特電機的特點及種類。

(1)信息產業(yè)類用微特電機

信息產業(yè)類用微特電機是指用在各類信息設備工業(yè)中的微特電機，具體用在與互聯網相關的產業(yè)中。信息產業(yè)作為信息社會的支柱產業(yè)，涉及面包含電訊、電話、印刷、新聞、廣播、電視等傳統(tǒng)的信息部門以及新興的電子計算機、激光、光導纖維、通訊衛(wèi)星等信息部門，該類產業(yè)對微特電機的需求量日益劇增。以2009年為例，全年信息類產業(yè)設備進出口總額達2952.4億美元，手機和筆記本出口數量有望比上一年增加10%和13%，這類產業(yè)用微特電機的特點是，隨著互聯網相關領域的不斷進步，微特電機數量需求是急劇增長的。

用在信息產業(yè)類的電機具體包含：永磁直流電機、無刷直流電機、步進電機、單相異步電機、同步電機、有刷/無刷電機、振動電機、直線電機等。當前，日本基本上壟斷了精密無刷電機、精密步進電機的生產技術，且我國在這一領域的技術幾乎是空白。我國具有生產振動電機和個別種類步進電機的能力，且相關技術正在不斷進步。

(2)日用電器類用微特電機是安裝在家庭及類似場所中使用的各種電器和電子器具中的電機。具體包含家用冰箱、冷飲器、空調、電扇、洗衣機、微波爐、電烤箱、電熱器、電吹風、電視機、微型投影儀和凈水器等。這一領域包含的主要微特電機類型有：永磁直流電動機、無刷直流電動機、步進電動機、單相交流電動機、串激電動機和交流伺服電動機等。據統(tǒng)計[14]，2018年家電市場規(guī)模達8104億元，同比增幅為1.9%，除了彩電之外，空調、冰洗、廚衛(wèi)、生活小家電都實現了增長，在2019年，中國家電市場仍維持穩(wěn)定增長態(tài)勢，據全國家用電器工業(yè)信息中心預測，2019年家電市場規(guī)模同比增長率約為2.3%，零售規(guī)模達到8291億元。消費升級、產業(yè)升級的大趨勢不會改變，我國將逐漸從家電大國到家電強國，家電產品發(fā)展離不開基礎元件微特電機的升級，微特電機行業(yè)市場潛力巨大，前景十分廣闊。

3 熱點研究方向及發(fā)展趨勢分析

我國微特電機的生產量每年以5%左右的速度增長，據預測[15]第12個五年規(guī)劃末，我國微特電機年產量將達到100億臺，占全球微特電機產量的70%。且對微特電機的標準提出了新的要求，比如需要具有高可靠性、高精度和快速響應等特點。新理論、新技術和新材料的出現使微特電機的研究方向也發(fā)生一些變化，當前的熱點研究方向[16]。

(1)產品的輕型化、微型化技術。隨著各種硬件技術的發(fā)展，其集成度越來越高，體積越來越小，比如Intel的微處理器從2012年32nm到2014年縮減至14nm。在各種硬件微型化的大環(huán)境下，微特電機也必須實現微型化，與此同時新技術新材料的出現也為微特電機的微型化創(chuàng)造了條件。當前對微型化微特電機的定義不僅僅體現在體積、質量上，還應該實現高功率密度。特別是將微特電機應用于航空航天等領域中，電機質量增加1kg則飛行器則可能需要多消耗100kg甚至更多的燃料，可見實現微特電機的微型化對航天探索具有重要的意義。

(2)機電一體設計建模與仿真技術研究?，F在的機電一體化技術指的是將機械和微電子緊密結合為一體，以充分發(fā)揮機械、微電子技術和信息技術的各自長處和特點。將機電一體化技術[17]應用到電機領域中目的是推動微特電機的智能化，實現電機的最優(yōu)化，使電機產品更加人性化、功能更加強大、體積和質量更加輕型化。微特電機的一體化指的是將微特電機本體、傳感器和控制器等裝置設計成一個整體，從而提高微特電機產品精度、安全性和可靠性，同時具有良好的人際界面，采用計算機程序控制和數字顯示使電機操作更具人性化?？梢姍C電一體化設計建模與仿真技術的進步將推動微特電機的發(fā)展。

(3)新結構、新原理電機[18]的研發(fā)與規(guī)?；褂?。在新材料、新技術新工藝發(fā)展的同時，新結構新原理電機發(fā)展也十分迅速，并且能迅速將研發(fā)的微特電機規(guī)?；褂?，典型的應用領域是工業(yè)和家電行業(yè)。其中，超聲波電機[19]發(fā)展最為迅速，超聲波電機是一種應用超聲波的彈性振動方式以獲得驅動動力，然后利用摩擦力帶動轉子而驅動的電機，超聲波電機研究均是以不同的方式獲得屈曲彈性波橢圓運動，應用超聲波電機的屈曲彈性波可分駐波型超聲波電機和行進波型超音波馬達。當前，超音波電機能實現微型化的最小直徑可不超過1mm。日本是世界上生產超聲波電機的最大國家，年產量達600萬臺。中國也逐步實現了超聲波電機的商業(yè)化生產。

(4)高精度、高可靠和長壽命的節(jié)能化智能化微特電機。在未來微特電機發(fā)展中，其應用領域越來越廣泛，產品更新較快，電機的高精度、高可靠性和節(jié)能化智能化等特點也是需要重點考慮的。比如，我國航天事業(yè)取得巨大的進步離不開這類微特電機，且對其的依耐性極強；我國衛(wèi)星空間站、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)現在和將來的發(fā)展都離不開高精度、高可靠的微特電機。另外，衛(wèi)星的在軌使用要求微特電機能夠使用15～20年，因而對其壽命有一定要求。

(5)低噪聲、低振動的微特電機。工業(yè)和生活水平的逐步提高，人們對電機運行時產生的振動和噪聲有了更高的標準，因而提高電機研發(fā)人員對振動和噪聲的關注。微特電機噪聲主要來源于電磁和機械的振動，如何減小噪聲和振動已成為微特電機熱點研究方向[20]。

隨著科技的進步，微特電機的應用領域變得越來越廣、要求越來越高，為了滿足各種應用的具體需求，不斷研究新材料、新結構和新工藝仍是微特電機未來的重要發(fā)展方向[13]。利用性價比較高的稀土永磁材料；采用軸盤結構、片材纏繞、拼塊組合等新型結構；采用新工藝新技術，提高機械化、自動化程度[16]。總之，傳統(tǒng)的電機產品將會發(fā)生革命性變化。

4 展望與結論

社會經濟的快速發(fā)展，增加了各行各業(yè)對微特電機的需求量。在第十二個五年規(guī)劃末，我國微特電機的產量將占全球總產量的70%，數量達100億臺。我國微特電機產業(yè)飛速發(fā)展，市場前景十分誘人。但我們也需盡快尋找新理論、新方法解決當前微特電機產業(yè)中出現的問題和積極參與新結構新原理微特電機的研發(fā)。另外，微特電機產業(yè)需要主動走國際化道路、主動參與競爭，才能在全球環(huán)境下各微特電機的產業(yè)中具有競爭力，使我國電機產業(yè)發(fā)展在世界各國的爭奪戰(zhàn)中取得較大的優(yōu)勢。