第1章　微特電機基礎

1.1　微特電機概述

1.1.1　微特電機的基本用途

電機包括電動機和發電機兩大類：電動機是指將電能轉換為機械能（旋轉和直線形式）的裝置；發電機則相反，是指將機械能轉換為電能的裝置。

微特電機（全稱微型特種電機，簡稱微電機）通常指的是結構、性能、用途或原理與常規電機不同，且體積和輸出功率較小的微型電機和特種精密電機，一般其外徑不大于160mm，輸出功率在750W及以下。但是隨著技術發展和應用領域的擴大，微特電機的體積和輸出功率已突破了這些范圍。

現代微特電機技術融合了電機、計算機、電力電子、自動控制、精密機械、新材料和新工藝等多種高新技術，是現代武器裝備自動化、工業自動化、辦公自動化和家庭生活自動化等不可缺少的重要技術。

微特電機在國民經濟各個領域中的應用十分廣泛，主要有以下幾個方面。

①航空航天：在航天領域，衛星天線的展開和偏轉，飛行器的姿態控制，太陽能電池陣翼驅動，宇航員空調系統以及衛星照相機等，都需要高精度的微特電機來驅動。例如，為了獲得最大能源，要求太陽能電池陣翼正對太陽，這就要求電機不斷地調整陣翼的方向，常以步進電動機為動力。

②現代軍事裝備：在現代軍事裝備中，微特電機已成為不可缺少的重要元件或子系統。火炮自動瞄準、飛機軍艦自動導航、導彈遙測遙控、雷達自動定位等均需采用由伺服電動機、測速發電機、自整角機等構成的隨動系統。例如，在導彈發射裝置中的瞄準機，需對高低和方向兩個方面進行自動瞄準，這就需要兩套由伺服電動機為主構成的隨動系統。

③現代工業：機器人，機床加工過程自動控制與顯示，閥門遙控，自動記錄儀表，軋鋼機自動控制，紡織、印染、造紙機的勻速控制等，均大量使用不同類型、不同規格的微特電機。例如，驅動用微特電機常用于工農業生產中要求速度控制和位置控制的場合；控制用微特電機常用于控制系統中，實現機電信號或能量的檢測、解算、放大、執行或轉換等功能。

④信息與電子產品：隨著信息技術的快速發展，電子信息產品得到了廣泛的應用，并已成為微特電機的重要應用領域之一。這些應用包括計算機存儲器、打印機、掃描儀、數控繪圖機、傳真機、復印機等。

⑤現代交通運輸：隨著經濟的高速發展和人民生活水平的提高，交通運輸車輛，特別是家庭汽車的數量近年來有了飛速發展，從而使汽車用微特電機在數量、品種和結構上都發生了很大變化。例如，每輛高級轎車一般要用40～50臺微特電機。作為21世紀的綠色交通工具，電動汽車在各國受到普遍的重視，電動車輛驅動用電機主要是無刷直流電動機、開關磁阻電動機、永磁同步電動機等，這類電機的發展趨勢是高效率、高出力、智能化。

⑥日常生活：隨著人們物資生活和文化生活水平的提高，微特電機在日常生活中的應用范圍日益擴大。例如，高層建筑的自動電梯、醫療設備、錄音錄像設備、變頻空調、全自動洗衣機等，都是依靠新型高性能微特電機來驅動的。

1.1.2　微特電機的基本要求

驅動用微特電機的主要任務是轉換能量，因此，對它的要求與一般動力用電動機的要求類似，希望能量轉換效率高、結構簡單、使用方便、容易維護、堅固耐用、體積小、重量輕、價格低等。

控制用微特電機在自動控制系統中的主要任務不是能量轉換，而是完成信號的傳遞和轉換，其性能的好壞將直接影響整個系統的工作性能。因此，現代控制系統除了要求控制用微特電機體積小、重量輕、耗電少以外，還要求其具有高可靠性、高精度和快速響應等性能。

①高可靠性。控制系統是由控制電機等控制元件與其他器件構成的，由于控制電機有運動部分甚至有滑動接觸，其可靠性往往比系統中其他靜止、無觸點元件要差。因此，在宇宙航行系統、軍事裝備和一些現代化生產系統中，對所用控制電機的可靠性總是提出第一位的要求。如采用自動化程序生產的煉鋼車間，一旦伺服系統中的控制電機發生故障，就會造成停產事故，甚至還會損壞煉鋼設備。

提高控制電機可靠性的首要措施是采用無刷電機方案，因為無刷電機不需要經常維修，對電子設備無干擾，也不會產生由火花引起的可燃性氣體爆炸事故，這些優點可以使控制系統的可靠性大大提高。

②高精度。所謂精度，是指實際特性與理想特性之間的差異。差異越小，則精度越高。在各種軍事裝備、無線電導航、無線電定位、自動記錄、遠程控制、機床加工、自動控制等系統中，對精度的要求越來越高，相應地對上述系統中所使用的控制電機的精度也提出了更高的要求。控制電機精度主要是對信號元件而言，它包括靜態誤差、動態誤差及使用環境的變化、電源頻率和電壓變化等所引起的漂移。從廣義而言，也適應于功率元件，如伺服電機特性的線性度和失靈區，步進電機的步距精度等，這些也都直接影響到控制系統的精度。

提高控制電機精度的措施有更新結構和制造工藝、研制新原理電機等。

③快速響應。由于自動控制系統中主令信號變化很快，所以要求控制電機特別是功率元件能對信號做出快速響應。表征快速響應的主要指標是機電時間常數和靈敏度。這些又直接影響系統的動態誤差、振蕩頻率和振蕩時間。

為了保證控制系統的快速響應，控制電機應盡量減小其電氣和機械時間常數。