浅析电磁微电机的设计与制造技术

肖尧　陈世杰

摘 要：随着我国经济技术的发展以及电气工程技术的不断进步，微电机行业迎来了一个空前的繁荣时期，电磁微电机作为控制系统或者电力传动系统的主要原件被广泛应用于现代化的自动设备当中。其中电磁微电机是微电机家族中的新成员，它利用先进的电动磁学原理用于实现机电信号的检测、解析运算、执行或转换等功能。本文就依据微电机的结构与功能等方面浅析电磁微电机的设计与制造技术，希望对现实中的工业化体系建设有所帮助。

关键词：电磁微电机；设计制造；电气工程；平面线圈

1 引言

微电机作为支撑我国国民经济高速发展与技术产业不断进步的重要支柱，在我国已经经历了六十多年的发展，在上个世纪五十年代，为了满足我国军工企业与自动化产业的发展要求，我国的微电机发展经历了国外引进、模仿制造、自主开发等关键环节，已经形成了包括产品开发、关键部件生产、专用制造等相互配套的完整的工业体系，是我国经济技术现代化发展历程的缩影。与传统的静电微电机不同，电磁微电机具有转换力矩大、转换效率高、工作寿命长，便于维修管理等优点，大有逐渐淘汰旧式微电机的趋势。但是电磁微电机也具有许多缺点，如制造工艺复杂、直流损耗、IC工艺兼容性差等缺点都在一定程度上阻碍了电磁微电机的发展。

2 微电机简介

微电机全称为“微型电动机”，一般指转轴直径小于160mm或者输出功率小于750W的电机，常用于控制系统或传动负载系统中。微电机种类繁多，大体可分为直流电动机、交流电动机、步进电动机、旋转变压器等十三个大类别，微电机学科是一门综合了多种学科的科学，尤其是材料学科的大发展以及先进的计算机自动化技术的运用大大加速了微电机科技的发展。从结构上来说，大体可以将微电机分为三大类，即电磁式、组合式和非电磁式。电磁式与普通的电机相类似，包括定子，转子，电刷等部件，唯一的区别就是内部空间紧凑，体积较小。组合式微电机即为微电机与电子线路的组合，是一种相对较复杂的电机系统。非电磁式微电机内部结构与电磁式微电机相似，但不同功能的微电机之间内部结构相差很大。总而言之，微电机是技术密集型与劳动密集型的高新技术产业，在现代工业体系中具有非常广泛的运用。

3 电磁微电机设计技术

上海交通大学在电磁微电机的设计研发领域一直走在全国的前列，在1995年，相关专家首先设计出了一种单定子-单转子的电磁微电机原理样机，这是一种由直流电供能的，由本体与电子转换器组成的微电机，开创了我国电磁微电机技术研发的先河。3相定子绕组的平面结构图如图1所示，转子磁矩布局图如图2所示。

经过不断改进，各种设计参数不断得到优化，使得电磁为电机的总体性能不断改善。其主要的设计特点是：磁路的结构设计与转子选取的磁性材料有利于实现高力矩的输出；定子绕组为平面无槽式的多层集中结构，可微细加工。实验数据表明，永磁转子的选取与实际磁路设计最终会影响电机的输出力矩，进而影响总体的输出功率。转子一般采用永磁性的钐钴材料，将其切割成扇形片，按照N、S相互交错的规律拼装而成，也可以用专用的充磁装置一次写入相互交错的磁极，这种方式的特点就是可以使磁极的剩余磁化率达到最大值。同时在转子上部铺设一层FeNi导磁层可以减少磁阻损失，提高气隙磁通密度。气隙磁通是关乎微电机性能的重要参数，主要包括定子与转子之间犹豫计算误差或者制作仪器误差所产生的气隙空间与定子繞组所占用的空间。为了增加输出力矩和减少功耗，定子绕组通常被设计成多层结构且厚度相对较厚，通常会大于气隙的宽度，因此经过实际的计算与分析，气隙中的磁通密度与气隙宽度往往会呈反比关系，即气隙跨度越大，磁通密度越小，这就会导致转子各层之间的磁通密度不同，这就给微电机的定子与转子的实际设计带来障碍，因此必须在设计之初必须考虑气隙与定子层数之间的关系，做好相互之间的平衡。

经过上几代科学家的不断努力，开发出了双定子-单转子电磁微电机模式，如图3所示。

图3双电子-单转子结构微电机结构示意图

不同于单定子-单转子结构的微电机模式，这种微电机性能更加完善，双定子绕组数倍增，大大提升了输出的功率，且由于上下两个转子与中间的定子静磁作用相互抵消，减小了定子与转子之间的磁阻作用，减少了能量的损耗，增加了输出力矩。

4 控制电路设计

当今的步进电机技术虽然已经趋向于成熟，但是在一些精度要求十分高的工业领域中，传统的步进电机仍然无法出色地完成对步进电机的性能要求，当电磁微电机用于步进驱动时，采用恒力矩细分控制方法控制步进电机的转动是一种十分有效的控制步进电机转动精度的方法。其基本原理就是利用对绕组中的电流的控制，通过一系列的电磁转换合成幅值恒定、变化规律的合成磁场矢量，主要做法是通过单片机原件实现对精确电流的控制。单片机具有控制精度高，受外界干扰小的特点，用单片机作为主要的控制元件可是实现稳定的电流的输出。一般情况下采用Intel 80C196单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器等原件组成整个系统的控制系统，利用单片机将E2ROM中存储的电流信号输送到D＼A转换器中，再调节D＼A转换器中的参考电压得到我们需要的电流幅值。这个系统可以利用计算机系统，将计算机键盘作为控制单片机的工作状态、D＼A转换器的电压值、运转频率、正＼烦转等的输入设备，并在LCD显示器上显示出当前的相电流大小、运行步数、起＼停状态等相应的状态。

5 定子微细加工工艺

定子是电磁微电机中不可或缺的一部分，对定子的微细加工可以大大提高输出力矩，在输出功率一定的情况下减少能源损耗，进而提升整个电机的工作效率。Φ1mm电磁微电机4层6绕组型号的定子微细加工工艺流程如下：在铁氧体衬底上溅射一层厚度为80nm的铬-铜合金，用来作为电镀基底；在电镀基层上旋涂光刻胶，利用计算机控制的激光进行光刻，雕刻出铜线圈的电镀模型；利用掩膜技术电镀上一层铜金属，并严格控制电镀的速率，一般在一分钟50纳米的速度，厚度控制在10-12米的范围内；旋涂8米的光刻胶，再利用激光技术光刻成铜线圈层间过孔引线的电镀胶膜；电镀形成6米的过孔引线；去胶并溅射刻蚀去除种子层；再在表面溅射16-18米的铝的氧化物三氧化二铝，作为整个定子的防氧化层，此外应该严格控制溅射频率、溅射室内的压强、最大溅射速率等，确保建设的三氧化二铝能够均匀的分布在定子上；再经过精细的研磨与抛光，直到露出层间互连线。以上介绍的就是一套完整的定子平面线圈的制造过程，在实际操作过程中应该严格按照以上的操作步骤进行加工整理，要想制作多层线圈可以重复以上的步骤。

“嵌入式”定子绕组的制作工艺与以上的4相6组定子制作工艺有所不同，在整个工艺中加入了镍-铁合金贴心的制作工艺。采用掩膜电镀的工艺可以实现镍-铁合金的电镀，具体电镀条件是在硫酸镍、氯化镍和硫酸铁按1：1：1的比例制成的混合液中，加入一些其他的催化剂，并将PH值控制在5-6之间，温度控制在四十度，且误差不能超过两度，相对磁导率控制在8000-9000之间。

6 结语

本文通过对电磁微电机基本功能与设计特点的介绍，重点论述了微电机的设计与制造技术，希望对现实中的电磁微电机的制造有指导意义。尽管最近几年电磁微电机被广泛应用于微型机器人、无人机、微型光开关等设备中，貌似前景大好，但是经过我们实际的调查与研究，在实用方面电磁微电机并没有取得什么实际的突破，仅仅是在传统的微电机上进行了一些局部结构的改变，并无革命性的创新。但是，时代在发展，历史在进步，随着材料科学以及计算机硬件与软件的发展，电磁微电机一定会迎来一个发展的春天。

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