北京和利时电机技术有限公司

北京和利时电机技术有限公司   姚  宏
北京森创电机技术有限公司   任  雷

姚宏（1958－）

    男，内蒙赤峰人，博士后，高级工程师，现任北京和利时电机技术有限公司总经理及董事兼北京和利时系统工程股份有限公司副总裁，研究方向为自动化及电机技术。

1  微特电机技术的发展方向

    微特电机是电机行业中一个十分重要的分支，正进入一个发展的新阶段。微特电机技术所涉及的学科和技术领域包括了电机技术、材料技术、计算技术、控制技术、微电子技术、电力电子技术、传感技术、网络技术等，属多学科、多技术领域交叉的综合技术，是典型的光机电一体化产品。各学科和技术领域中的最新成果都能很快在微特电机领域中得到应用，尤其是新材料的发展和应用、新一代驱动技术的研制和应用、网络化控制技术的发展，都给微特电机领域带来新的发展理念，并深入到各个产品中。

2  新的发展理念

    2.1  理论研究的创新

    (1)  除原来的传统理论外，今后微特电机研究的理论主要是：模糊控制理论的研究；电机能量转换机理的研究；反电势法的原理及起动技术；故障机理研究；现代神经科学理论的研究。同时，还要进一步加强信息传输和网络化控制机理的研究、人工神经网络机理的研究等。

    (2)  继续进行理论建模，主要有：电机磁场设计分析模型；电机动态性能分析模型；电机稳态性能分析模型；绝缘结构模型；热计算模型；基于FMEA的电气及机械失效模式分析模型；无位置传感器无刷直流电机的控制策略等。

    (3)  可靠性机理的研究，主要有：微特电机驱动系统在综合控制系统中的可靠性机理、可靠性冗余机理等。

    (4)  故障机理的研究，主要有：了解故障的形成和发展过程，掌握故障的内在本质及特征，是故障诊断的理论基础。其研究方法是依赖于电机和相关的基础学科，建立电气设备故障分析的物理和数学模型，求出模型的解析解或近似解，进行仿真计算，从中总结出一般性的规律，找出故障特征量。可以有效地指导微特电机设备的监测与诊断。

    (5)  低电压驱动方案的研究，研究驱动电压只有几伏、十几伏或者零点几伏系统的方案和控制模型。

    2.2  设计技术向一体化方向发展

    (1)  微特电机的设计技术除了传统的CAD、CAE技术外，还继续采用有限元法，许多大型的有限元分析软件可与许多先进的CAD软件共享数据，将有限元与三维CAD技术结合来分析产品的结构和强度，大大提高了新产品设计的质量和速度。

    在电机电磁场分析计算的基础上，运用场-路结合方法，进行电磁设计计算，损耗计算、优化设计、噪声抑制、永磁体电机原理和特性分析等，某些公司开发电机优化设计软件，为用户提供便捷的设计工具。

    (2)  新型稀土钕铁硼永磁材料的选用和设计；绝缘结构的设计；新型散热表面的设计；新型轴承选配方法和润滑系统的设计；无槽结构电枢的设计；低成本较高分辨率位置传感器的设计；新型充磁方法和充磁夹具的设计；新型永磁电机装配工艺和专用装配设备的设计。

    (3)  对电机中物理场的分析和计算：电机中存在的物理场包括电磁场、温度场和力场相互作用和耦合使得电机本身成为了一个强耦合、非线形的复杂的机电能量转换装置，对电机中物理场的研究是揭示电机能量转换机理的关键，而对其精确分析和计算是电机设计、分析、运行和控制的前提，因此要研究不断创新的适用于分析电机物理场的各种计算方法，特别是适用面广、计算精度高的数值计算方法，及其在电机技术中的应用。

    (4)  设计将微特电机、驱动、通信等部件都融合在电机内部，形成一体化产品，微特电机整体技术向一体化方向发展。

    2.3  传感器技术的发展

    传感器是微特电机测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。 传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件，而传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器。

    按照其用途，传感器可分类为： 压力敏和力敏传感器 、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、振动传感器、生物传感器等；按照其制造工艺，可分为：集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器等。

    微特电机应用的传感器主要是位置传感器、能耗传感器、速度传感器等。当前研究较多的主要还是相对位置编码器、绝对位置编码器、感应同步器、光栅作为位置和速度反馈的传感器。在采用绝对位置编码器作为位置传感器件的设备中，绝对位置编码器能够自动记忆各进给行程内的每一点位置。

    世界上正在利用先进的微电子机械系统（MEMS）制造技术，研究出一种新型三维微结构高灵敏度敏感元件，可能组成新一代的微功率传感器。这种传感器精度高、响应快、可靠性好，是微特电机未来应用的新传感器之一。

    2.4  网络通讯技术的发展

    我国的通信技术虽然在以太网网络、手机、数字电视、视频技术等方面取得了重大进展，但是在微特电机控制领域仍然与国际先进水平有一定差距。

    我国在微特电机控制领域的通信技术，目前基本是基于单独设备的点到点的通信，速度低下，可靠性差、不能实现精确时钟同步、效率不高，严重影响了我国信息技术对传统产业的提升作用。

    随着世界先进制造技术的发展,国际空间高技术和国防工业的激烈竞争的加剧,我国的国防工业、电子产业、机械工业、纺织、印刷等行业都提出了一种高新技术―链路层高速同步通信技术的要求，并正在组织进行高速同步通信技术网络化制造的开发和研究。 主要有：

    ?  CAN通信技术

    CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此越来越受到工业界的重视，并已被公认为最有前途的现场总线之一。CAN技术在汽车电子控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的应用。
    
    ?  SERCOS通信技术

    传统的机械传动部分，需要使用机械性滑轮、皮带，以控制和驱动各种不同的机械设备。为了提高生产的灵活性，现在开始采用结合了电子运动控制系统的伺服电机或驱动。在驱动之间进行高速数字连接，如SERCOS，不需要机械传动部件就能紧密协调轴运动。电子运动系统可显著降低因改变机械构造所需要的时间，也提高了生产运行的灵活性。

    ?  ETHERNET Powerlink技术

    ETHERNET Powerlink到目前为止，经过了现场验证，基于高速以太网的开放、实时通信协议，甚至能用于时间十分苛求的高速运动系统。这是一个完整的从管理层一直到现场I/O层的确定性传送实时数据的透明解决方案，并已成为工业标准，其可预测的通信过程有非常短的循环时间和高实时精度（Jitter，即抖动或不稳定度小于1μs）。

    ?  集成CANopen通信协议

    通过CANopen，CAN用户将可以使用基于以太网的通讯方式，从而能够满足诸如运动控制等应用中苛刻的实时数据通讯要求。系统符合国际IT标准（如IEEE 802.3 标准 Ethernet），基于IP的协议（如TCP/IP、UDP/IP、HTTP），并提供与企业内部网络的无缝集成。

    ?  用于运动控制的FireWire

    FireWire用于运动控制的主要优点是联网技术本身。为计算机和消费类电子设备行业而设计的FireWire，在原理上适合于需要有实时基础结构的通信视频图像，其结果是开发出一种快速的实时网络，它还提供对等通信。符合标准的内置功能，它支持FireWire等时（通过保证提供如伺服参数等特定信息来保证确定的性能）和异步通信。此外，网络还采用一种叶型结构，因而不需要集线器或交换机，而且总线上的设备能以菊花链方式连接在一起，以便有效地进行分布式控制。

    ?  CAN-SMC技术

    这是北京和利时电机技术公司和北京航空航天大学正在开发的高速同步通信技术网络化制造协议，这将是我国第一个自主开发的适用于多轴协调运动控制的网络协议，将会在国内外广泛推广。CAN-SMC技术研究如何以最好的性能价格比，以高的通信速率运行，并保证以精确的相同时间将信息提供给每一个节点。

    2.5  关键制造工艺技术新进展

    ?  微特电机制造工序多，涉及精密机构、精细化、微细加工、磁材料处理、绕组制造、绝缘处理等工艺技术，需要的工艺装备数量大、精度高。为了保证产品的质量还需要一系列精密的测试仪器，既是投资性较强的行业，又是劳动密集型和技术密集型的高新技术产业。

    ?  极端制造技术：制造技术正在从常规制造、传统制造向极端制造技术的方向发展。极端制造是指在极端条件或环境下，制造极端尺度或极高功能的器件和功能系统。如制造天空飞行器、制造微纳电机、微纳光机电系统等极小尺度和极高精度的产品。

    2.6  材料技术方面发展前景好

    微特电机的材料涉及硅钢片、永磁材料、铜线、绝缘材料等，近年来，用于计算机外围设备的无刷直流电动机、步进电动机，用于仪器风扇的小功率电动机以及高精度、低噪声的直流永磁电动机在国际市场上都有很好的发展前景。因此，加强微特电机的材料技术的研究十分重要。

    原材料工业，对微特电机的生产影响很大,如硅钢片、永磁材料、铜线、绝缘材料等。在中国，永磁材料的生产发展很快。高性能的钕铁硼永磁材料（工作温度为150℃，最大磁能积为32×79.6MGA/m，可逆温度系数为-0.08%）的工业产量已达到适当规模，这加速了高质量小功率永磁电动机的生产。在中国，有许多工厂生产铁氧体永磁材料，总产量也很大，这是中国的特色，可以满足国内需要。今后有必要进一步提高材料的特性和质量，并降低成本。

    2.7  测试技术向高效和自动化发展 

    电机驱动与控制采用集成电路后，其最大优点是电路简化，有利于电机的轻薄短小化，并使驱动精度和可靠性提高，同时降低成本。随着电机性能的提高，要与其配套的检测技术精确度更高，并且向高效和自动化方向发展。 

    2.8  功能部件技术有多方面品种

    微特电机的功能部件有：驱动、测试、诊断、通信等几种。数字化驱动控制部件，要进一步研究直接驱动微特电机的数字化驱动控制系统。加速采用高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的全数字化交流伺服系统的研究。数字化驱动系统最突出的优点是，可以对速度或位置进行精确控制，理论上可实现任意速度和位置轨迹特性，而且体积小、重量轻、抗干扰能力强，可以在十分复杂、恶劣的环境中工作。

    ?  测试和诊断部件：

    研究基于计算机的实时在线监测与智能故障诊断系统和便携式监测分析系统，从故障诊断软件，发展到当前的专家系统、人工神经网络等智能化诊断方法。另外，采用DSP、PC104开发的嵌入式诊断系统和远程分布式监测诊断系统，已成为目前的研究开发的热点。

    ?  通信部件：主要是研究中国品牌的链路层高速同步通信嵌入式软件技术；研究高速同步通信网络技术；研究其应用于各工业领域的拓展技术；研究并且制定我国的链路层高速同步通信技术CAN-SMC的协议标准，使我国的链路层高速同步通信技术处于国际先进水平，并开发出应用于链路层高速同步通信技术领域的目标产品和系列品种。

    2.9  涉及的产品包括如下

    ?  控制类微特电机；

    ?  微型永磁直流电动机；

    ?  永磁同步电机；

    ?  无刷直流电机；

    ?  永磁交流伺服电动机；

    ?  步进电动机；

    ?  直线电机；

    ?  新原理微特电机：超声波电机、悬浮电机。

3  微特电机的市场预测

    3.1  中国加入WTO后对世界产业布局的影响及其布局调整

    加入WTO后，我国正在以更加积极的姿态融入世界，中国经济持续稳定快速发展有利于扩大全球需求，许多国际公司都纷纷在中国投资，中国已经成为世界微特电机的主要市场。

    3.2  我国微特电机行业面临的机遇和挑战

    (1)  激烈竞争的局面

    随着我国加入WTO，经济与科技一体化，我国电机行业企业将面临更激烈的竞争。一方面加入WTO有利于我国参与经济全球化。经济全球化是当前国际经济发展的趋势，我国可在经济全球化中发展自己。另一方面也有利于与跨国公司合作，跨国公司是经济全球化的主要动力。许多跨国公司已经或正在将制造、采购中心移到中国，国内也有越来越多的企业开始面向全球生产经营，这表明中国正积极的融入全球化中，并在国际贸易和经济合作中扮演着重要角色。

    同时，许多国际公司的产品大量进入我国，使得我国微特电机的市场形势十分严峻。中国是微特电机生产大国，但不是技术强国。中国微特电机行业与发达国家比，整体上差距明显，存在产品档次、技术水平偏低，生产规模不大，生产自动化程度较低等问题。国内同行必须在技术、质量、品种、价格和售后服务方面和外国公司进行一场激烈的竞争。

    同时，国企改制、世界上其他国家对我国机电行业设置技术壁垒和原材料价格居高不下等因素，给我国微特电机行业发展增加了不少变数，我们要采取必要的应对措施。中国微特电机行业与发达国家比，整体上差距明显，存在产品档次、技术水平偏低，市场份额小，生产规模不大，生产自动化程度较低等问题。随着全球经济一体化进程的加快，此行业将遭遇更多的挑战。中国自主设计、生产的高档微特电机产品会受到严重冲击。国外的高档微特电机产品低税进入后，会对中国产品在这一领域的市场份额形成较大冲击。随着国外制造商将更多的工厂和设计、开发中心搬到中国，建立起更加高效的配送网络，凭借其全球货物流量获得更低的价格，其产品竞争力将得到进一步提高，中低档产品也将对中国产品形成冲击。 

    (2)  微特电机产品的发展趋势

    微特电机制造工序多、涉及精密机构、精细化、微细加工、磁材料处理、绕组制造、绝缘处理等工艺技术，需要的工艺装备数量大、精度高。是劳动密集型和技术密集型的高新技术产业。国际微特电机技术领域主要发展趋势如下：

    ?  产品向网络化、轻薄短小化、永磁化、无铁芯化、无刷化、驱动器电机一体化、低电压化、高性能和智能化趋势发展。

    在网络化和轻薄短小化方面，主要是针对传统产品性能的提高和产品尺寸的缩小。例如对汽车、电动自行车用电机，采用网络化控制、盘式结构，以便同车辆使用部位相适应，缩小体积。又如对旋转变压器，采用补偿，在同样的性能水平下，可以缩小一个机座号，或者同样机座下可提高精度。对多极旋变，误差精度大幅提高。对家电及其他场合使用的交流和直流微电机，采用塑料封工艺技术，可提高温度，降低噪声。为了获得好的动态性能，降低系统成本，无铁芯电机今后在品种规格和产量上将会大幅度增长。这类电机在直流印刷绕组电机、盘式绕组电机、杯形电枢直流微电机等方面，将得以广泛推广，用于汽车、电动助力车、印刷设备以及自动化装置和军事装备中。在生命科学方面，主要发展低电压化、驱动器电机一体化和智能化的产品。

    在无刷化方面，主要发展无刷直流电机，以提高产品的可靠性和寿命。无刷电机已经广泛应用于家用电器、声像设备、汽车等领域。例如在变频空调器中采用无刷直流电机替代异步电动机，效率可明显提高。空调器的室内风机如用塑封无刷直流电机替代原有的单相异步电机，可获得较好的速度调节特性低噪声。无刷电机的性能优势，已经使其取得广阔的市场前景。

    在组合化方面主要是适应军事装备和工业自动化设备的小型化要求，将驱动器、角度传感器、速度传感器、伺服电动机、减速器和制动器等根据不同用途组合成一体，发展驱动器电机一体化产品，作为一个独立的功能组件或部件，或者发展直接驱动和直线驱动产品。例如整机采用电机转子直接作为驱动元件，省掉了中间的传动机构，不但使其结构简化，又可以提高系统精度。

    ?  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网络化发展。

    随着国际市场竞争的加剧，微特电机产品的市场寿命越来越短，因此，要十分重视微特电机生产线柔性化生产，来克服以多品种小批量为特点的微特电机生产组织上的困难。而生产方式集约化、自动化和专业化、生产协作配套和网络化，则可以使以大批量为特点的微特电机生产实现规模化经济。继续采用CAD/CAM等软件，缩短产品研发周期和减少成本。
    
    ?  测试技术向高效和自动化发展。 

    电机驱动与控制采用中大规模集成电路后，控制电路简化，有利于电机的驱动器轻薄短小化，并使驱动精度和可靠性提高，同时降低成本。随着电机性能的提高，要求与其配套的检测技术精确度更高。

    ?  大型精密、复杂、长寿命模具向高技术含量模具发展。

    随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高。发展重点应该是既能满足大量需要，又有较高技术含量，特别是目前国内尚不能自给、需大量进口的模具和能代表发展前景的大型精密、复杂、长寿命模具。由于模具标准件的种类、数量、水平、生产集中度等对整个模具行业的发展有重大影响。因此，一些重要的模具标准件也必须重点发展，其发展速度应快于模具的发展速度，这样才能不断提高我国的模具标准化水平，从而提高模具质量，缩短模具生产周期及降低成本。由于我国的模具产品在国际市场上拥有较大的价格优势，因此对于出口前景好的模具产品也应作为重点来发展。

    3.3  产品市场

    微特电机的市场主要在：家用电器用电机、汽车用电机、计算机及其外设用电机、办公自动化设备用电机、工人自动化及机器人用电机、视听音响设备用电机、舞台灯光用电机、摄影器材用电机、电动工具用电机等。

    (1)  产品应用领域的分析

    产品应用领域主要在：工业控制、电动车辆、汽车电器、信息处理、家用电器、医疗设备、半导体、健身器材、纺织机械、服装制造业、包装机械、印刷机械、国防领域、其他特殊行业。

    电动车辆和汽车电器作为汽车电子的主要内容，是今后重要的应用领域。随着技术的进步，汽车本身的数字化程度越来越高，汽车电子化已被视为衡量一个国家汽车工业发展水平的重要标志。预计未来5年内，汽车电子产品占汽车成本的比例将达到50%，对我国微特电机从业者而言是全新的机遇。据统计，2004年全球汽车电子业市场规模约为150亿美元，全球市场销售额在近一、二年将超过1000亿美元。汽车产业快速发展和日益扩大的市场需求，为微特电机产业提供了新的发展机遇。

图1  微特电机未来5年产品应用领域

    (2)  产品市场分布格局（如图2所示）

图2  微特电机产品市场分布格局

    其中：工业控制的市场大约为12%；汽车电器的为20%；信息处理为13.2%；家用电器为18%；健身器材为6.2%；医疗设备4.8%；印刷机械为4%；纺织机械3%等。其中信息处理已经包括我们新型的家庭网络设备。

    (3)  产品制造的地域分布格局（如图3所示）。

图3  微特电机产品制造的地域分布格局

    主要在：西北地区约占5%；西南地区约占2%；华南地区约占25%；华东约占23%；华北约占15%；东北约占10%；中南约占15%。可以看到，我国的华东和华南市场大约占全国市场的一半。

    (4)  微特电机的国际贸易分析

    由于许多跨国公司已经或正在将制造、采购中心移到中国，国内也有越来越多的企业开始面向全球生产经营，我国的微特电机正积极的融入全球化中，在国际贸易和经济合作，我国生产的微特电机大约在国际市场中占60%，扮演着十分重要的角色。产品国际贸易，主要体现在产品的直接出口、配套出口和产品的来料加工返销。目前来看：直接出口的不多，配套出口和产品的来料加工返销的比较多。

4  结论

    2004年12月我国电机制造业共有1167家生产企业，全部从业人员388282人，资产总计接近972亿。2004全年电机行业工业总产值为993亿，产品销售收入938亿，利润总额49.1亿。我国生产的微特电机已经占世界市场的60%以上。未来5～10年，我国微特电机行业有非常大的发展空间：

    ?  从市场增长速度看，汽车电子用的微特电机已经成为我国微特电机产业发展一个新的市场增长点。目前我国汽车电子企业面临政策层面缺失、核心技术空白及市场边缘化生存等问题，需要业内人士采取各种措施，以技术创新带动产品化，推进微特电机产业在汽车电子方面的应用和发展。首先要求确定“有所为，有所不为”的方向。选择有优势的产品作为突破口，培育一个自己的微特电机配套体系；然后，要利用国内外先进的汽车电子控制单元，进行系统集成，形成真正意义上的具有自主知识产权的汽车电子控制系统，以此就可形成自己的标准，逐步进入良性的发展轨道。

    ?  从制造技术看：网络化敏捷制造逐渐成为21世纪企业所应采用的先进制造模式。在当前经济全球化、信息和服务网络化的大趋势下，网络化敏捷制造技术和系统能够较好地满足企业开展市场竞争的核心需求。网络化敏捷制造是企业为应对知识经济和制造全球化的挑战，实施的以快速响应市场需求和提高企业（企业群体）竞争力为主要目标的一种先进制造模式。通过采用先进的网络技术、制造技术及其它相关的技术，构建面向企业特定需要的基于网络的制造系统，并在系统支持下，突破空间地域对企业生产经营范围和方式的约束，开展覆盖产品整个生命周期全部或部分环节的微特电机企业的业务活动（如产品设计、制造、销售、采购、管理等），实现企业间的协同和各种社会资源的共享与集成，网络化敏捷制造为企业指出了在网络环境下，通过企业间协同，集成和利用全社会资源开展企业的生产经营管理活动的指导思想。

    ?  从生产制造模式看：发展形成微特电机产业具有“集成化、网络化、数字化、智能化、绿色化”特征的现代集成制造系统理论、方法、技术、工具、形成了以网络化为特征的具有中国特色的先进制造模式。网络制造的实质是在获得市场机遇时，利用网络技术把地理上分散的企业和制造资源组织起来，结成联盟企业，进行新产品开发和生产，实现优势互补，提高快速响应市场的能力，达到联合起来去竞争的目的。这种利用因特网实现跨企业、跨地区的联盟模式将成为新世纪制造业的重要发展趋势。这种生产模式充分体现了技术与管理的密切结合，是利用信息技术提升微特电机企业的重要途径。

    ?  从微米/纳米制造技术看，也有发展空间。随着人们对许多工业产品的功能集成化和外形小型化的需求，使零部件的尺寸日趋微小化。进入人体的医疗器械和管道自动检测装置等都需要微型的齿轮、电机、传感器和控制电路，这些需要促使微细加工和纳米制造技术在20世纪70年代的出现，它们也促使了微型机械向系统化方向发展，并形成了有广阔发展前景的微机电系统（MEMS），微型机械在国外已受到政府部门的重视。世界上纳米科技水平最先进的国家是美国、日本、德国、英国。目前世界上已实现商品规模生产的纳米材料有：金刚石、磁性材料、金属、陶瓷、复合材料、半导体材料、生物医用材料等。我国在微机械研究方面，先后研制出静电、电压和电磁式的微电机、微泵和微阀、压电与形状记忆合金微夹钳以及微操作系统模型等，建立了两个微加工基地（IC、LIGA）和一个项目研究中心。进入21世纪以来，鉴于纳米技术和纳米材料在未来高新技术发展中的重要地位及产业化的美好前景，发展微米/纳米制造技术，并从战略高度部署微纳系统的设计技术、微型装配与封装技术、微纳测试与表征技术等方面的研究，成为提高我国在未来10年乃至20年的国际上的竞争地位的重要手段。

    ?  从生产环境看：没有污染、进行绿色生产是今后的发展方向。绿色制造技术在我国目前尚处起步阶段。谁掌握了绿色生产技术，谁的产品符合“绿色产品”标准，谁就掌握了主动权，就会在竞争中取得成功。