第1章　微特电机基础

1.1　微特电机概述

1.1.1　微特电机的基本用途

电机包括电动机和发电机两大类：电动机是指将电能转换为机械能（旋转和直线形式）的装置；发电机则相反，是指将机械能转换为电能的装置。

微特电机（全称微型特种电机，简称微电机）通常指的是结构、性能、用途或原理与常规电机不同，且体积和输出功率较小的微型电机和特种精密电机，一般其外径不大于160mm，输出功率在750W及以下。但是随着技术发展和应用领域的扩大，微特电机的体积和输出功率已突破了这些范围。

现代微特电机技术融合了电机、计算机、电力电子、自动控制、精密机械、新材料和新工艺等多种高新技术，是现代武器装备自动化、工业自动化、办公自动化和家庭生活自动化等不可缺少的重要技术。

微特电机在国民经济各个领域中的应用十分广泛，主要有以下几个方面。

①航空航天：在航天领域，卫星天线的展开和偏转，飞行器的姿态控制，太阳能电池阵翼驱动，宇航员空调系统以及卫星照相机等，都需要高精度的微特电机来驱动。例如，为了获得最大能源，要求太阳能电池阵翼正对太阳，这就要求电机不断地调整阵翼的方向，常以步进电动机为动力。

②现代军事装备：在现代军事装备中，微特电机已成为不可缺少的重要元件或子系统。火炮自动瞄准、飞机军舰自动导航、导弹遥测遥控、雷达自动定位等均需采用由伺服电动机、测速发电机、自整角机等构成的随动系统。例如，在导弹发射装置中的瞄准机，需对高低和方向两个方面进行自动瞄准，这就需要两套由伺服电动机为主构成的随动系统。

③现代工业：机器人，机床加工过程自动控制与显示，阀门遥控，自动记录仪表，轧钢机自动控制，纺织、印染、造纸机的匀速控制等，均大量使用不同类型、不同规格的微特电机。例如，驱动用微特电机常用于工农业生产中要求速度控制和位置控制的场合；控制用微特电机常用于控制系统中，实现机电信号或能量的检测、解算、放大、执行或转换等功能。

④信息与电子产品：随着信息技术的快速发展，电子信息产品得到了广泛的应用，并已成为微特电机的重要应用领域之一。这些应用包括计算机存储器、打印机、扫描仪、数控绘图机、传真机、复印机等。

⑤现代交通运输：随着经济的高速发展和人民生活水平的提高，交通运输车辆，特别是家庭汽车的数量近年来有了飞速发展，从而使汽车用微特电机在数量、品种和结构上都发生了很大变化。例如，每辆高级轿车一般要用40～50台微特电机。作为21世纪的绿色交通工具，电动汽车在各国受到普遍的重视，电动车辆驱动用电机主要是无刷直流电动机、开关磁阻电动机、永磁同步电动机等，这类电机的发展趋势是高效率、高出力、智能化。

⑥日常生活：随着人们物资生活和文化生活水平的提高，微特电机在日常生活中的应用范围日益扩大。例如，高层建筑的自动电梯、医疗设备、录音录像设备、变频空调、全自动洗衣机等，都是依靠新型高性能微特电机来驱动的。

1.1.2　微特电机的基本要求

驱动用微特电机的主要任务是转换能量，因此，对它的要求与一般动力用电动机的要求类似，希望能量转换效率高、结构简单、使用方便、容易维护、坚固耐用、体积小、重量轻、价格低等。

控制用微特电机在自动控制系统中的主要任务不是能量转换，而是完成信号的传递和转换，其性能的好坏将直接影响整个系统的工作性能。因此，现代控制系统除了要求控制用微特电机体积小、重量轻、耗电少以外，还要求其具有高可靠性、高精度和快速响应等性能。

①高可靠性。控制系统是由控制电机等控制元件与其他器件构成的，由于控制电机有运动部分甚至有滑动接触，其可靠性往往比系统中其他静止、无触点元件要差。因此，在宇宙航行系统、军事装备和一些现代化生产系统中，对所用控制电机的可靠性总是提出第一位的要求。如采用自动化程序生产的炼钢车间，一旦伺服系统中的控制电机发生故障，就会造成停产事故，甚至还会损坏炼钢设备。

提高控制电机可靠性的首要措施是采用无刷电机方案，因为无刷电机不需要经常维修，对电子设备无干扰，也不会产生由火花引起的可燃性气体爆炸事故，这些优点可以使控制系统的可靠性大大提高。

②高精度。所谓精度，是指实际特性与理想特性之间的差异。差异越小，则精度越高。在各种军事装备、无线电导航、无线电定位、自动记录、远程控制、机床加工、自动控制等系统中，对精度的要求越来越高，相应地对上述系统中所使用的控制电机的精度也提出了更高的要求。控制电机精度主要是对信号元件而言，它包括静态误差、动态误差及使用环境的变化、电源频率和电压变化等所引起的漂移。从广义而言，也适应于功率元件，如伺服电机特性的线性度和失灵区，步进电机的步距精度等，这些也都直接影响到控制系统的精度。

提高控制电机精度的措施有更新结构和制造工艺、研制新原理电机等。

③快速响应。由于自动控制系统中主令信号变化很快，所以要求控制电机特别是功率元件能对信号做出快速响应。表征快速响应的主要指标是机电时间常数和灵敏度。这些又直接影响系统的动态误差、振荡频率和振荡时间。

为了保证控制系统的快速响应，控制电机应尽量减小其电气和机械时间常数。