微特电机产业综述与展望

(广东工业大学自动化学院，广东广州 510006)

0 引言

微特电机是一种具有特殊性能和特殊用途的微型特种电机，它属于综合了电机理论、微电子、电力电子、计算机科学、控制工程理论、精密机械和新材料等多门学科的技术密集型行业，是典型的机电一体化产品[1]～[5]。微特电机的用途十分广泛，最常用在各种工业控制系统中，起到实现机电信号或能量检测、放大等作用，还可作为机械负载的传动装置和电源。随着世界经济形式持续变好，各国制造业逐渐受到重视，相应的出台相关政策支持制造业的发展，如作为世界八大工业国之一的德国联邦教研部与联邦经济技术部在汉诺威工业博览会上提出工业4.0规划；美国通用电气公司在2013年6月提出工业互联网概念；中国政府在2015年初提出中国制造2025，将信息技术和制造业深度融合，驱动制造业转型升级，加快中国由制造业大国向制造业强国转型[6]～[9]。与此同时，微特电机技术也取得了较大的进步。

我国微特电机技术发展经历了由弱到强的过程。从初期仿制发达国家电机产品到重视自主研发，研究方向实现四个转变[10]：微特电机运行环境从简单变为复杂、低压转为高压和单一机组转变多机组综合。我国微特电机全面发展始于1950年，大致可分为起步阶段、向欧美发达国家学习阶段、快速发展阶段。起步阶段主要是向前苏联学习，当时苏联的电机理论、生产工艺以及技术的微特电机体系在中国延续下来；到1979年左右中国同美国等欧洲国家开始正常的外交关系，中国不断向西方发达国家学习先进的电机理论，使得这一时期我国的微特电机领域得到极大发展，同时我国微特电机的理论体系逐步向欧美体系发生转变，逐渐向世界拥有先进的电机技术理论的国家看齐；现阶段我国更加重视科学技术研究、研发能力和核心理论体系建设，相继出台了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》、《国家中长期人才发展规划纲要》等相应政策以支持相关产业发展。同时国家对提高微特电机效率的要求，也推动了微特电机产业的发展[11]。

本文针对近年来国内外微特电机技术理论的新方案、新进展，对微特电机研究现状、应用领域、研发动态等方面进行综述，并对结合未来新理论、新结构电机的发展趋势对微特电机技术进行综述。

1 微特电机产业国内外现状

1.1 国外现状

在传统产业稳步发展的同时，能源互联网、第五代移动通信网络等新领域也在快速发展。微特电机作为这些新系统和新技术的基本元件，需求量不断增大且对微特电机的标准提高了。在世界各国的微特电机产业中，日本处在产业链的顶端[12]，是世界先进微特电机的典型代表，分别体现在以下几种微特电机产品领域中。在IT产品的微特电机领域中，技术含量最高和其次的微特电机中，全球只有四家企业能实现对前一种电机的生产，日本电产就是其中之一，且其市场占有率超过80%，而后一种电机在全球也只有四家企业能生产，其中日本电产市场占有率达到75%。在汽车微特电机领域中，日本电产、阿斯莫、三叶、电装、万宝在2009年的市场占有率超过了50%，欧洲的主要产商是德国的博泽。美国是汽车大国，但是主要是通过向中国和日本采购微特电机。电产作为微特电机领域的霸主，分别在2010年8月和2010年12月分别收购了艾默生中大型电机业务和三洋精密。

国外微特电机产业正在发生巨大变化，具体概括为以下几个方面。一是产品逐渐向网络化、轻薄短小化、永磁化、无铁芯化、无刷化、驱动电机一体化、低电压化、智能化和高性能化趋势发展；二是生产技术向集约化、柔性化、自动化、专业化以及生产协作配套化网络发展；三是测试技术向高效和自动化发展；四是大型精密、复杂、长寿命模具向高技术含量模具发展。

1.2 国内现状

近年来，在我国较为宽松的大环境下微特电机产业取得较大的发展，长三角、珠三角和环渤海湾三大地区已经成为我国重要的微特电机生产基地和出口基地。三个基地中微特电机生产商大致可分为三类，一是外国独资企业，随着微特电机生产销售日益全球化，外部竞争激烈，国外的微特电机生产商都在我国的大陆投资建厂，实现产品的规模化生产，这一类企业在我国的微特电机产业中发展最快，同时也有一个共同特点即产品研发仍留在本国；二是国有微特电机厂，在1978年我国改革开放后，这类电机厂由于生产经营体制和管理制度的不适应，缺乏市场竞争力，最后导致某些国有电机厂破产兼并，生存状况堪忧；三是民营企业，这类企业的特点是竞争力日渐显著、机制灵活、市场应变能力强，因而民营经济得到较快的发展，但都是小企业，规模不大。据统计[12]，2011～2012年期间年销售额2000万以上的企业销售总额达3000亿元，2011～2012年中国微特电机制造业具体经济效益情况见表1。

表1 2011～2012年中国微特电机制造业经济效益表

总体来说，我国微特电机存在以下特点

(1)我国是微特电机生产大国不是强国。在2010年，我国(含香港和台湾)微特电机的总产量约为60亿台，占全球微特电机生产总量的60%左右。但我国能够生产的微特电机产品整体上技术性不强，产品档次不高多属于中低档产品；独资企业的产品属于中档产品。技术含量较高的产品仍未转移我国大陆进行生产，比如光盘驱动器用的精度无刷电动机、高精度步进电机、片状电极、高精度高性能伺服和新结构、新原理电机等高技术产品。

(2)微特电机进出口增速均较快。据统计，在2000～2009年我国微特电机出口额年均增长率为6.52%，每年以两位数的速度增长，微特电机已是电子元件行业出口的支柱产业，但我国微特电机的进口增速也较快，这说明我国微特电机产业结构不合理，无法生产高端的微特电机产品，主要依赖进口。

(3)与发达国家相比，我国微特电机产业的整体生产水平较低。从原材料到成品电机已有一套属于我国的生产制造体系，且逐步重视生产制造的每一步，比如国家将永磁材料的研发列为国家高新技术；国内微特电机厂商不断向发达国家引进先进设备；成立专业的模具设计制造单位。但是总体上均与发达国家的生产制造水平有较大差距，电机产品的质量和档次均有待改善。

(4)电机技术创新的上、中、下游的对接耦合有待进一步改善。进一步来说就是电机研发与电机实际生产存在一定的脱节。在我国有很多从事微特电机研发、试制和测验的高校和电机研究所，对微特电机的研究不亚于国际先进水平，科研团队在国内外均具有一定的知名度。但大学、研究所和企业之间联系不够密切，进而三者的优势和强项均不能合理开发利用，最直接的结果是导致我国无法尽快摆脱是生产大国不是生产强国的困境。

2 微特电机各应用领域特点分析

微特电机广泛应用在各个领域，需求量大。一个国家的发展水平可以通过每个家庭拥有的微特电机数量来衡量，在西方发达国家每户家庭平均拥有50～100台微特电机，在我国大城市的每户家庭平均拥有10～30台左右。微特电机的应用领域在一定程度上反应了社会发展水平， 微特电机在各个领域的使用数量情况如图1 所示。

图1 各领域微特电机使用情况

根据微特电机应用领域的不同，将其分为信息产业类用微特电机、视听设备用微特电机、车用微特电机、家用电器用微特电机和其他用微特电机[13]。下面详细分析信息产业类用、家用电器用微特电机的特点及种类。

(1)信息产业类用微特电机

信息产业类用微特电机是指用在各类信息设备工业中的微特电机，具体用在与互联网相关的产业中。信息产业作为信息社会的支柱产业，涉及面包含电讯、电话、印刷、新闻、广播、电视等传统的信息部门以及新兴的电子计算机、激光、光导纤维、通讯卫星等信息部门，该类产业对微特电机的需求量日益剧增。以2009年为例，全年信息类产业设备进出口总额达2952.4亿美元，手机和笔记本出口数量有望比上一年增加10%和13%，这类产业用微特电机的特点是，随着互联网相关领域的不断进步，微特电机数量需求是急剧增长的。

用在信息产业类的电机具体包含：永磁直流电机、无刷直流电机、步进电机、单相异步电机、同步电机、有刷/无刷电机、振动电机、直线电机等。当前，日本基本上垄断了精密无刷电机、精密步进电机的生产技术，且我国在这一领域的技术几乎是空白。我国具有生产振动电机和个别种类步进电机的能力，且相关技术正在不断进步。

(2)日用电器类用微特电机是安装在家庭及类似场所中使用的各种电器和电子器具中的电机。具体包含家用冰箱、冷饮器、空调、电扇、洗衣机、微波炉、电烤箱、电热器、电吹风、电视机、微型投影仪和净水器等。这一领域包含的主要微特电机类型有：永磁直流电动机、无刷直流电动机、步进电动机、单相交流电动机、串激电动机和交流伺服电动机等。据统计[14]，2018年家电市场规模达8104亿元，同比增幅为1.9%，除了彩电之外，空调、冰洗、厨卫、生活小家电都实现了增长，在2019年，中国家电市场仍维持稳定增长态势，据全国家用电器工业信息中心预测，2019年家电市场规模同比增长率约为2.3%，零售规模达到8291亿元。消费升级、产业升级的大趋势不会改变，我国将逐渐从家电大国到家电强国，家电产品发展离不开基础元件微特电机的升级，微特电机行业市场潜力巨大，前景十分广阔。

3 热点研究方向及发展趋势分析

我国微特电机的生产量每年以5%左右的速度增长，据预测[15]第12个五年规划末，我国微特电机年产量将达到100亿台，占全球微特电机产量的70%。且对微特电机的标准提出了新的要求，比如需要具有高可靠性、高精度和快速响应等特点。新理论、新技术和新材料的出现使微特电机的研究方向也发生一些变化，当前的热点研究方向[16]。

(1)产品的轻型化、微型化技术。随着各种硬件技术的发展，其集成度越来越高，体积越来越小，比如Intel的微处理器从2012年32nm到2014年缩减至14nm。在各种硬件微型化的大环境下，微特电机也必须实现微型化，与此同时新技术新材料的出现也为微特电机的微型化创造了条件。当前对微型化微特电机的定义不仅仅体现在体积、质量上，还应该实现高功率密度。特别是将微特电机应用于航空航天等领域中，电机质量增加1kg则飞行器则可能需要多消耗100kg甚至更多的燃料，可见实现微特电机的微型化对航天探索具有重要的意义。

(2)机电一体设计建模与仿真技术研究。现在的机电一体化技术指的是将机械和微电子紧密结合为一体，以充分发挥机械、微电子技术和信息技术的各自长处和特点。将机电一体化技术[17]应用到电机领域中目的是推动微特电机的智能化，实现电机的最优化，使电机产品更加人性化、功能更加强大、体积和质量更加轻型化。微特电机的一体化指的是将微特电机本体、传感器和控制器等装置设计成一个整体，从而提高微特电机产品精度、安全性和可靠性，同时具有良好的人际界面，采用计算机程序控制和数字显示使电机操作更具人性化。可见机电一体化设计建模与仿真技术的进步将推动微特电机的发展。

(3)新结构、新原理电机[18]的研发与规模化使用。在新材料、新技术新工艺发展的同时，新结构新原理电机发展也十分迅速，并且能迅速将研发的微特电机规模化使用，典型的应用领域是工业和家电行业。其中，超声波电机[19]发展最为迅速，超声波电机是一种应用超声波的弹性振动方式以获得驱动动力，然后利用摩擦力带动转子而驱动的电机，超声波电机研究均是以不同的方式获得屈曲弹性波椭圆运动，应用超声波电机的屈曲弹性波可分驻波型超声波电机和行进波型超音波马达。当前，超音波电机能实现微型化的最小直径可不超过1mm。日本是世界上生产超声波电机的最大国家，年产量达600万台。中国也逐步实现了超声波电机的商业化生产。

(4)高精度、高可靠和长寿命的节能化智能化微特电机。在未来微特电机发展中，其应用领域越来越广泛，产品更新较快，电机的高精度、高可靠性和节能化智能化等特点也是需要重点考虑的。比如，我国航天事业取得巨大的进步离不开这类微特电机，且对其的依耐性极强；我国卫星空间站、北斗卫星导航系统现在和将来的发展都离不开高精度、高可靠的微特电机。另外，卫星的在轨使用要求微特电机能够使用15～20年，因而对其寿命有一定要求。

(5)低噪声、低振动的微特电机。工业和生活水平的逐步提高，人们对电机运行时产生的振动和噪声有了更高的标准，因而提高电机研发人员对振动和噪声的关注。微特电机噪声主要来源于电磁和机械的振动，如何减小噪声和振动已成为微特电机热点研究方向[20]。

随着科技的进步，微特电机的应用领域变得越来越广、要求越来越高，为了满足各种应用的具体需求，不断研究新材料、新结构和新工艺仍是微特电机未来的重要发展方向[13]。利用性价比较高的稀土永磁材料；采用轴盘结构、片材缠绕、拼块组合等新型结构；采用新工艺新技术，提高机械化、自动化程度[16]。总之，传统的电机产品将会发生革命性变化。

4 展望与结论

社会经济的快速发展，增加了各行各业对微特电机的需求量。在第十二个五年规划末，我国微特电机的产量将占全球总产量的70%，数量达100亿台。我国微特电机产业飞速发展，市场前景十分诱人。但我们也需尽快寻找新理论、新方法解决当前微特电机产业中出现的问题和积极参与新结构新原理微特电机的研发。另外，微特电机产业需要主动走国际化道路、主动参与竞争，才能在全球环境下各微特电机的产业中具有竞争力，使我国电机产业发展在世界各国的争夺战中取得较大的优势。