牛學(xué)鋒 牛冬梅 朱書杰

（1.西安郵電大學(xué)，陜西 西安710121；2.中船重工東儀科工集團(tuán)有限公司，陜西 西安710061）

0 引言

隨著我國工業(yè)化與信息化深度融合國家戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，微電機(jī)的研發(fā)與制造行業(yè)取得了長足的發(fā)展。微電機(jī)伴隨著我國的工業(yè)自動化、武器裝備現(xiàn)代化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、辦公自動化、家庭現(xiàn)代化的進(jìn)行正大量應(yīng)用到各個領(lǐng)域。作為這些領(lǐng)域支撐技術(shù)和系統(tǒng)中不可缺少的執(zhí)行元件和動力元件，現(xiàn)代微電機(jī)已發(fā)展為先進(jìn)制造技術(shù)和新興電子信息技術(shù)緊密結(jié)合的高新技術(shù)產(chǎn)品，其研發(fā)思路也由零件級產(chǎn)品上升到系統(tǒng)級層面。這不僅對現(xiàn)代微電機(jī)的設(shè)計、生產(chǎn)提出了更高的要求，同時也提供了更廣闊的應(yīng)用空間。“十二五”期間國家提出重點(diǎn)發(fā)展新型節(jié)能微電機(jī)技術(shù)，結(jié)合國家政策方向，分析我國微電機(jī)研制、生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)其中的不足，并找出后續(xù)發(fā)展方向具有重要的實(shí)踐意義。

1 微電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 微電機(jī)在家用電器領(lǐng)域的應(yīng)用

微電機(jī)在社會各領(lǐng)域的應(yīng)用分布情況與生產(chǎn)力發(fā)展水平是相適應(yīng)的，據(jù)最新的統(tǒng)計結(jié)果顯示，目前我國在家用電器領(lǐng)域的微電機(jī)使用量占總量的23%。[1]家用電器用微電機(jī)作為我國微電機(jī)研發(fā)制造業(yè)中的主導(dǎo)產(chǎn)品，其種類眾多，生產(chǎn)應(yīng)用數(shù)量龐大。應(yīng)用到的主要家電產(chǎn)品有空調(diào)、電冰箱、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、微波爐、跑步機(jī)、吸塵器、抽油煙機(jī)、洗碗機(jī)、豆?jié){機(jī)、榨汁機(jī)、電動牙刷、電吹風(fēng)、廚房廢物處理器、攪拌器等。據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2014年上半年，我國空調(diào)產(chǎn)量為8840.29萬臺，同比增長16.31%；冰箱產(chǎn)量為5051.75萬臺，同比增長0.71%；冷柜產(chǎn)量為1026.85萬臺，同比增長1.39%；洗衣機(jī)產(chǎn)量3276.80萬臺，同比下降3.59%。[2]可以看出，家電行業(yè)和企業(yè)在全球產(chǎn)業(yè)中的比重和作用不斷擴(kuò)大。同時，新興家電如凈水器、空氣凈化器等產(chǎn)品也正大量進(jìn)入家庭使用。家用電器在城市家庭的使用量日益增加的情況下，其在農(nóng)村市場的使用也正在快速拓展，家用電器產(chǎn)品應(yīng)用市場的不斷發(fā)展壯大也促使配套用微電機(jī)的同步增長。

1.2 微電機(jī)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

家庭用汽車的普及促進(jìn)了汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，同時也帶動了汽車用微電機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。微電機(jī)是汽車上的關(guān)鍵零部件之一，其主要分布于汽車的發(fā)動機(jī)、底盤、車身三大部位及附件中，在電動汽車結(jié)構(gòu)中電機(jī)還作為動力系統(tǒng)核心部件?，F(xiàn)在的汽車車窗、門鎖、后視鏡等系統(tǒng)，都使用電機(jī)驅(qū)動。隨著電子技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用，微電機(jī)也在汽車信息系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車音響、車載通信系統(tǒng)等方向得到應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，每輛經(jīng)濟(jì)型汽車配備30臺以上微電機(jī)，高級轎車至少配備60臺以上微電機(jī)，豪華型轎車配備近百臺小微電機(jī)，汽車用微電機(jī)占總需求量的26%左右。據(jù)工信部發(fā)布2014年全年汽車工業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況數(shù)據(jù)顯示，2014年我國累計生產(chǎn)汽車2372.29萬輛，同比增長7.3%，銷售汽車2349.19萬輛，同比增長6.9%，產(chǎn)銷量保持世界第一。[3]以每輛車平均配備40臺微電機(jī)計，估計對微電機(jī)的需求量達(dá)到數(shù)十億臺以上。另考慮汽車的二級維修市場，還有約三成微電機(jī)等零部件的需求。

1.3 微電機(jī)在醫(yī)療設(shè)備、保健器材領(lǐng)域的應(yīng)用

醫(yī)療設(shè)備、保健器材用微電機(jī)是微特電機(jī)主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著人們生活水平的提升和健康意識的增強(qiáng)，醫(yī)院和家用的醫(yī)療及保健康復(fù)器材需要量迅速增長，與其配套的微特電機(jī)數(shù)量和品種也隨著快速增長。尤其是龐大的老齡化群體、慢性疾病、殘疾障礙及神經(jīng)功能失調(diào)疾病的治療、康復(fù)，對器械的需求越來越迫切，促使醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、康復(fù)保健產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展和應(yīng)用新技術(shù)，不斷開發(fā)新產(chǎn)品。具體應(yīng)用涉及到人體疾病治療、康復(fù)、檢查、記錄、監(jiān)視、分析、整形美容等所使用的系統(tǒng)、設(shè)備、儀器、刀針及輔助設(shè)備。如核磁共振設(shè)備、心電圖機(jī)、全方位內(nèi)窺鏡、電動離心機(jī)、電動吸引器、電動輪椅、電動搖床、牙鉆機(jī)等。由于醫(yī)用領(lǐng)域的特殊性，要求微電機(jī)具有微型化、低噪聲、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性高的特點(diǎn)。

1.4 微電機(jī)在各類機(jī)械設(shè)備、機(jī)器人、武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用

工業(yè)現(xiàn)代化和武器裝備現(xiàn)代化發(fā)展離不開微電機(jī)技術(shù)的現(xiàn)代化進(jìn)步發(fā)展。在工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)全球化的今天，微電機(jī)在軍事、民用的各種現(xiàn)代化裝備及其控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，如火炮控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機(jī)自動駕駛、數(shù)控機(jī)床、無梭織機(jī)控制、工業(yè)縫紉機(jī)控制、遙測遙控等領(lǐng)域都大量使用了各種微電機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中，微電機(jī)也由過去簡單的起動控制、提供動力的目的，發(fā)展到對其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等的精確控制，特別是工業(yè)自動化、辦公自動化方面，幾乎都采用了電機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)等相結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品。該類微電機(jī)品種繁多，技術(shù)含量高，系統(tǒng)綜合程度高，不少是電機(jī)組件，按使用屬性分為信號類微電機(jī)、驅(qū)動執(zhí)行類微電機(jī)和機(jī)電組件一體化系統(tǒng)。

2 微電機(jī)行業(yè)發(fā)展中存在的問題

2.1 我國微電機(jī)與國外先進(jìn)技術(shù)水平差距較大，缺乏創(chuàng)新

經(jīng)過改革開放后30多年的快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界微電機(jī)生產(chǎn)大國，但技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家相比，仍有較大差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：控制類微電機(jī)與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，不管從電機(jī)可靠性還是性能指標(biāo)仍有較大差距，其整體水平相當(dāng)于國外20世紀(jì)80年代中后期水平。[4]工業(yè)用微型直流電機(jī)，國外可以做到壽命2000小時以上，而我國平均是1000小時，主要問題是電機(jī)結(jié)構(gòu)工藝的不合理性及電刷材料等問題。國外無刷直流電機(jī)的效率可以做到80%以上，我國一般生產(chǎn)廠家只能達(dá)到60%～70%左右。步進(jìn)電動機(jī)國外早已發(fā)展高性能的混合式結(jié)構(gòu)，我國的混合式步進(jìn)電動機(jī)在90年代才開始發(fā)展。在高性能、高技術(shù)含量電動機(jī)方面，如無刷直流電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)、直線電機(jī)等方面差距更大一些。這主要是由于我國電子技術(shù)落后、投入不足和人才相對短缺造成的。

產(chǎn)量大而技術(shù)含量低是在中國微電機(jī)產(chǎn)業(yè)的基本狀況，大量企業(yè)缺乏獨(dú)立開發(fā)能力，基本以仿制為主，整個產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合不理想，缺乏創(chuàng)新。

2.2 行業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)性問題突出，布局不合理

從我國微電機(jī)發(fā)展的綜合情況來看,經(jīng)過多年的發(fā)展,目前已基本形成了包括廣州、深圳、珠海、香港在內(nèi)的大珠江三角、江浙滬長三角和京津渤海三角等三個微電機(jī)產(chǎn)業(yè)帶,以及福建、山東、四川等熱點(diǎn)地區(qū)。目前來看，東部地區(qū)發(fā)展較快，中西部地區(qū)相對滯后，東部地區(qū)微電機(jī)工業(yè)總產(chǎn)值占整個電機(jī)工業(yè)總產(chǎn)值的70%，而中西部地區(qū)所占比重不到30%。這一現(xiàn)狀的形成受政策、地理環(huán)境條件等諸多因素地影響。由于微電機(jī)行業(yè)是勞動密集型行業(yè)，進(jìn)入行業(yè)門檻較低，因此，容易出現(xiàn)低水平、同質(zhì)化競爭現(xiàn)象，重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重。而與此同時，不少新型微電機(jī)產(chǎn)品尚屬空白,技術(shù)提升緩慢。

2.3 市場調(diào)研度不夠，缺乏與相配套行業(yè)的互動溝通

在相對發(fā)達(dá)的信息社會的今天，市場需求千變?nèi)f化。微電機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)離不開與其緊密結(jié)合的市場應(yīng)用領(lǐng)域。長期以來，微電機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)者對市場的關(guān)注程度不夠，未及時領(lǐng)略到其應(yīng)用領(lǐng)域需求的快速變化，缺乏對新產(chǎn)品的開發(fā)，只注重自身的效益與發(fā)展，從而造成有些產(chǎn)品開發(fā)出來后無市場需求的情況。究其原因就是沒有考慮到外在需要的影響和對科研、開發(fā)和生產(chǎn)的拉動作用。

3 微電機(jī)發(fā)展趨勢分析

雖然我國微電機(jī)行業(yè)與國際水平還有一段差距，但其發(fā)展前景依然十分廣闊。

3.1 大力發(fā)展高效節(jié)能型微電機(jī)

高效節(jié)能是微電機(jī)總的發(fā)展趨勢，據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國電機(jī)用電量約占全國用電總量的60%。微電機(jī)使用量大面廣，節(jié)能潛力巨大。因此，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程被列為我國“十二五”十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一，電機(jī)節(jié)能是國家節(jié)能減排工作的重點(diǎn)領(lǐng)域。隨著國家對節(jié)能減排各項(xiàng)舉措的積極推行及高效節(jié)能電機(jī)補(bǔ)貼政策的逐步落實(shí)，電機(jī)節(jié)能行業(yè)迎來了快速增長。工信部表示，2015年將落實(shí)專項(xiàng)資金補(bǔ)貼電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造。為了實(shí)現(xiàn)高精度、低成本、低功耗的要求，微電機(jī)需要不斷開發(fā)各種新結(jié)構(gòu)、使用新材料。同時要從電機(jī)驅(qū)動角度進(jìn)行研究，改變傳統(tǒng)的電機(jī)控制和驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用先進(jìn)的控制算法。

3.2 微電機(jī)與減速器一體化設(shè)計

微電機(jī)一般為高速電機(jī)，在具體的應(yīng)用領(lǐng)域往往需要與一套減速機(jī)構(gòu)相結(jié)合，經(jīng)過減速后，方可使用。而減速機(jī)構(gòu)與電機(jī)的轉(zhuǎn)接往往增加了系統(tǒng)的體積，降低了可靠性，還降低系統(tǒng)效率和控制精度。有時受安裝空間的影響，要求體積要盡量減小，為了適應(yīng)這一要求，并提高可靠性，國外研發(fā)人員進(jìn)行了微電機(jī)與減速器的一體化設(shè)計，主要進(jìn)行了微電機(jī)與行星齒輪減速器一體化設(shè)計、微電機(jī)與滾珠絲杠減速器一體化設(shè)計、微電機(jī)與蝸輪蝸桿減速器一體化設(shè)計。這些設(shè)計均做出了樣機(jī)，并進(jìn)行了性能測試，但發(fā)現(xiàn)這樣的改進(jìn)后，整個電機(jī)系統(tǒng)的頻帶過低，響應(yīng)跟不上，設(shè)計人員一直在努力改進(jìn)，國內(nèi)尚未見到有相關(guān)的研發(fā)設(shè)計資料。

3.3 微電機(jī)的無刷化、微型化、永磁化發(fā)展

為降低微電機(jī)運(yùn)行時的噪音，提高電磁兼容性能和電機(jī)可靠性，延長電機(jī)使用壽命，各國一直都在致力于發(fā)展各種無刷電機(jī)。但是，由于無刷電機(jī)所涉及的技術(shù)要求較高，要求掌握相關(guān)電機(jī)技術(shù)、硬件技術(shù)、軟件控制技術(shù)、傳感技術(shù)、稀土材料技術(shù)、大功率電子技術(shù)，目前國內(nèi)市場大功率無刷電機(jī)產(chǎn)品還是比較少見，電子產(chǎn)品日益微型化的需要要求微電機(jī)向小型化、扁平化、輕量化方向發(fā)展。隨著微電機(jī)向微薄輕型化、無刷化和電子化的方向發(fā)展，永磁材料在微電機(jī)中的普遍應(yīng)用已是必然趨勢。

3.4 發(fā)展微電機(jī)新型測試技術(shù)

隨著微電機(jī)不斷的向微型化方向發(fā)展，其建模、仿真、優(yōu)化設(shè)計的正確性、有效性，需要微機(jī)械性能評測技術(shù)加以評價。由于微電機(jī)的重要零部件十分微小，產(chǎn)生的運(yùn)動、位移微乎其微，無法用傳統(tǒng)的測試方法測得相應(yīng)指標(biāo)。因此，必須開發(fā)微機(jī)械量傳感測量技術(shù)，以適應(yīng)新的測試需求。

4 結(jié)論

作為在國民經(jīng)濟(jì)中具有十分重要地位的微電機(jī)行業(yè)，其在國內(nèi)及國際上的發(fā)展競爭十分激烈。正確認(rèn)識我國微電機(jī)行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及不足，找準(zhǔn)未來行業(yè)發(fā)展方向，對促進(jìn)我國微電機(jī)行業(yè)的健康發(fā)展，使我國由微電機(jī)生產(chǎn)大國變?yōu)槲㈦姍C(jī)技術(shù)全國，具有十分重要的意義。

［1］我國微電機(jī)行業(yè)發(fā)展市場容量分析[OL].http∶//www.chyxx.com,2014,4∶24.

［2］2014上半年空調(diào)產(chǎn)量增長繼續(xù)領(lǐng)跑白電[OL].http∶//wwww.homea.hc360.com，2014,9∶2.

［3］2014年我國汽車產(chǎn)銷量世界第一[Z].工業(yè)和信息化部,2015(1)∶23.

［4］中國微電機(jī)行業(yè)“十一五”回顧及“十二五”規(guī)劃投資分析及前景預(yù)測報告[OL].http∶//www.qqfx.cpm.cn,2012,4.

［5］李朝東.微電機(jī)研究的最新動態(tài)與應(yīng)用展望[J].微特電機(jī),2003(1).

［6］李煌榮.關(guān)注醫(yī)療康復(fù)器械用微特電機(jī)的發(fā)展機(jī)遇[J].微特電機(jī),2013(6).