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北京和利時電機技術有限公司   姚  宏
北京森創電機技術有限公司   任  雷

姚宏（1958－）

    男，內蒙赤峰人，博士后，高級工程師，現任北京和利時電機技術有限公司總經理及董事兼北京和利時系統工程股份有限公司副總裁，研究方向為自動化及電機技術。

1  微特電機技術的發展方向

    微特電機是電機行業中一個十分重要的分支，正進入一個發展的新階段。微特電機技術所涉及的學科和技術領域包括了電機技術、材料技術、計算技術、控制技術、微電子技術、電力電子技術、傳感技術、網絡技術等，屬多學科、多技術領域交叉的綜合技術，是典型的光機電一體化產品。各學科和技術領域中的最新成果都能很快在微特電機領域中得到應用，尤其是新材料的發展和應用、新一代驅動技術的研制和應用、網絡化控制技術的發展，都給微特電機領域帶來新的發展理念，并深入到各個產品中。

2  新的發展理念

    2.1  理論研究的創新

    (1)  除原來的傳統理論外，今后微特電機研究的理論主要是：模糊控制理論的研究；電機能量轉換機理的研究；反電勢法的原理及起動技術；故障機理研究；現代神經科學理論的研究。同時，還要進一步加強信息傳輸和網絡化控制機理的研究、人工神經網絡機理的研究等。

    (2)  繼續進行理論建模，主要有：電機磁場設計分析模型；電機動態性能分析模型；電機穩態性能分析模型；絕緣結構模型；熱計算模型；基于FMEA的電氣及機械失效模式分析模型；無位置傳感器無刷直流電機的控制策略等。

    (3)  可靠性機理的研究，主要有：微特電機驅動系統在綜合控制系統中的可靠性機理、可靠性冗余機理等。

    (4)  故障機理的研究，主要有：了解故障的形成和發展過程，掌握故障的內在本質及特征，是故障診斷的理論基礎。其研究方法是依賴于電機和相關的基礎學科，建立電氣設備故障分析的物理和數學模型，求出模型的解析解或近似解，進行仿真計算，從中總結出一般性的規律，找出故障特征量。可以有效地指導微特電機設備的監測與診斷。

    (5)  低電壓驅動方案的研究，研究驅動電壓只有幾伏、十幾伏或者零點幾伏系統的方案和控制模型。

    2.2  設計技術向一體化方向發展

    (1)  微特電機的設計技術除了傳統的CAD、CAE技術外，還繼續采用有限元法，許多大型的有限元分析軟件可與許多先進的CAD軟件共享數據，將有限元與三維CAD技術結合來分析產品的結構和強度，大大提高了新產品設計的質量和速度。

    在電機電磁場分析計算的基礎上，運用場-路結合方法，進行電磁設計計算，損耗計算、優化設計、噪聲抑制、永磁體電機原理和特性分析等，某些公司開發電機優化設計軟件，為用戶提供便捷的設計工具。

    (2)  新型稀土釹鐵硼永磁材料的選用和設計；絕緣結構的設計；新型散熱表面的設計；新型軸承選配方法和潤滑系統的設計；無槽結構電樞的設計；低成本較高分辨率位置傳感器的設計；新型充磁方法和充磁夾具的設計；新型永磁電機裝配工藝和專用裝配設備的設計。

    (3)  對電機中物理場的分析和計算：電機中存在的物理場包括電磁場、溫度場和力場相互作用和耦合使得電機本身成為了一個強耦合、非線形的復雜的機電能量轉換裝置，對電機中物理場的研究是揭示電機能量轉換機理的關鍵，而對其精確分析和計算是電機設計、分析、運行和控制的前提，因此要研究不斷創新的適用于分析電機物理場的各種計算方法，特別是適用面廣、計算精度高的數值計算方法，及其在電機技術中的應用。

    (4)  設計將微特電機、驅動、通信等部件都融合在電機內部，形成一體化產品，微特電機整體技術向一體化方向發展。

    2.3  傳感器技術的發展

    傳感器是微特電機測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號。 傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件，而傳感器系統則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的傳感器。

    按照其用途，傳感器可分類為： 壓力敏和力敏傳感器 、位置傳感器、液面傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、熱敏傳感器、加速度傳感器、振動傳感器、生物傳感器等；按照其制造工藝，可分為：集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器等。

    微特電機應用的傳感器主要是位置傳感器、能耗傳感器、速度傳感器等。當前研究較多的主要還是相對位置編碼器、絕對位置編碼器、感應同步器、光柵作為位置和速度反饋的傳感器。在采用絕對位置編碼器作為位置傳感器件的設備中，絕對位置編碼器能夠自動記憶各進給行程內的每一點位置。

    世界上正在利用先進的微電子機械系統（MEMS）制造技術，研究出一種新型三維微結構高靈敏度敏感元件，可能組成新一代的微功率傳感器。這種傳感器精度高、響應快、可靠性好，是微特電機未來應用的新傳感器之一。

    2.4  網絡通訊技術的發展

    我國的通信技術雖然在以太網網絡、手機、數字電視、視頻技術等方面取得了重大進展，但是在微特電機控制領域仍然與國際先進水平有一定差距。

    我國在微特電機控制領域的通信技術，目前基本是基于單獨設備的點到點的通信，速度低下，可靠性差、不能實現精確時鐘同步、效率不高，嚴重影響了我國信息技術對傳統產業的提升作用。

    隨著世界先進制造技術的發展,國際空間高技術和國防工業的激烈競爭的加劇,我國的國防工業、電子產業、機械工業、紡織、印刷等行業都提出了一種高新技術―鏈路層高速同步通信技術的要求，并正在組織進行高速同步通信技術網絡化制造的開發和研究。 主要有：

    ?  CAN通信技術

    CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業過程監控設備的互連，因此越來越受到工業界的重視，并已被公認為最有前途的現場總線之一。CAN技術在汽車電子控制系統、電梯控制系統、安全監控系統、醫療儀器、紡織機械、船舶運輸等方面均得到了廣泛的應用。
    
    ?  SERCOS通信技術

    傳統的機械傳動部分，需要使用機械性滑輪、皮帶，以控制和驅動各種不同的機械設備。為了提高生產的靈活性，現在開始采用結合了電子運動控制系統的伺服電機或驅動。在驅動之間進行高速數字連接，如SERCOS，不需要機械傳動部件就能緊密協調軸運動。電子運動系統可顯著降低因改變機械構造所需要的時間，也提高了生產運行的靈活性。

    ?  ETHERNET Powerlink技術

    ETHERNET Powerlink到目前為止，經過了現場驗證，基于高速以太網的開放、實時通信協議，甚至能用于時間十分苛求的高速運動系統。這是一個完整的從管理層一直到現場I/O層的確定性傳送實時數據的透明解決方案，并已成為工業標準，其可預測的通信過程有非常短的循環時間和高實時精度（Jitter，即抖動或不穩定度小于1μs）。

    ?  集成CANopen通信協議

    通過CANopen，CAN用戶將可以使用基于以太網的通訊方式，從而能夠滿足諸如運動控制等應用中苛刻的實時數據通訊要求。系統符合國際IT標準（如IEEE 802.3 標準 Ethernet），基于IP的協議（如TCP/IP、UDP/IP、HTTP），并提供與企業內部網絡的無縫集成。

    ?  用于運動控制的FireWire

    FireWire用于運動控制的主要優點是聯網技術本身。為計算機和消費類電子設備行業而設計的FireWire，在原理上適合于需要有實時基礎結構的通信視頻圖像，其結果是開發出一種快速的實時網絡，它還提供對等通信。符合標準的內置功能，它支持FireWire等時（通過保證提供如伺服參數等特定信息來保證確定的性能）和異步通信。此外，網絡還采用一種葉型結構，因而不需要集線器或交換機，而且總線上的設備能以菊花鏈方式連接在一起，以便有效地進行分布式控制。

    ?  CAN-SMC技術

    這是北京和利時電機技術公司和北京航空航天大學正在開發的高速同步通信技術網絡化制造協議，這將是我國第一個自主開發的適用于多軸協調運動控制的網絡協議，將會在國內外廣泛推廣。CAN-SMC技術研究如何以最好的性能價格比，以高的通信速率運行，并保證以精確的相同時間將信息提供給每一個節點。

    2.5  關鍵制造工藝技術新進展

    ?  微特電機制造工序多，涉及精密機構、精細化、微細加工、磁材料處理、繞組制造、絕緣處理等工藝技術，需要的工藝裝備數量大、精度高。為了保證產品的質量還需要一系列精密的測試儀器，既是投資性較強的行業，又是勞動密集型和技術密集型的高新技術產業。

    ?  極端制造技術：制造技術正在從常規制造、傳統制造向極端制造技術的方向發展。極端制造是指在極端條件或環境下，制造極端尺度或極高功能的器件和功能系統。如制造天空飛行器、制造微納電機、微納光機電系統等極小尺度和極高精度的產品。

    2.6  材料技術方面發展前景好

    微特電機的材料涉及硅鋼片、永磁材料、銅線、絕緣材料等，近年來，用于計算機外圍設備的無刷直流電動機、步進電動機，用于儀器風扇的小功率電動機以及高精度、低噪聲的直流永磁電動機在國際市場上都有很好的發展前景。因此，加強微特電機的材料技術的研究十分重要。

    原材料工業，對微特電機的生產影響很大,如硅鋼片、永磁材料、銅線、絕緣材料等。在中國，永磁材料的生產發展很快。高性能的釹鐵硼永磁材料（工作溫度為150℃，最大磁能積為32×79.6MGA/m，可逆溫度系數為-0.08%）的工業產量已達到適當規模，這加速了高質量小功率永磁電動機的生產。在中國，有許多工廠生產鐵氧體永磁材料，總產量也很大，這是中國的特色，可以滿足國內需要。今后有必要進一步提高材料的特性和質量，并降低成本。

    2.7  測試技術向高效和自動化發展 

    電機驅動與控制采用集成電路后，其最大優點是電路簡化，有利于電機的輕薄短小化，并使驅動精度和可靠性提高，同時降低成本。隨著電機性能的提高，要與其配套的檢測技術精確度更高，并且向高效和自動化方向發展。 

    2.8  功能部件技術有多方面品種

    微特電機的功能部件有：驅動、測試、診斷、通信等幾種。數字化驅動控制部件，要進一步研究直接驅動微特電機的數字化驅動控制系統。加速采用高速微處理器和專用數字信號處理機（DSP）的全數字化交流伺服系統的研究。數字化驅動系統最突出的優點是，可以對速度或位置進行精確控制，理論上可實現任意速度和位置軌跡特性，而且體積小、重量輕、抗干擾能力強，可以在十分復雜、惡劣的環境中工作。

    ?  測試和診斷部件：

    研究基于計算機的實時在線監測與智能故障診斷系統和便攜式監測分析系統，從故障診斷軟件，發展到當前的專家系統、人工神經網絡等智能化診斷方法。另外，采用DSP、PC104開發的嵌入式診斷系統和遠程分布式監測診斷系統，已成為目前的研究開發的熱點。

    ?  通信部件：主要是研究中國品牌的鏈路層高速同步通信嵌入式軟件技術；研究高速同步通信網絡技術；研究其應用于各工業領域的拓展技術；研究并且制定我國的鏈路層高速同步通信技術CAN-SMC的協議標準，使我國的鏈路層高速同步通信技術處于國際先進水平，并開發出應用于鏈路層高速同步通信技術領域的目標產品和系列品種。

    2.9  涉及的產品包括如下

    ?  控制類微特電機；

    ?  微型永磁直流電動機；

    ?  永磁同步電機；

    ?  無刷直流電機；

    ?  永磁交流伺服電動機；

    ?  步進電動機；

    ?  直線電機；

    ?  新原理微特電機：超聲波電機、懸浮電機。

3  微特電機的市場預測

    3.1  中國加入WTO后對世界產業布局的影響及其布局調整

    加入WTO后，我國正在以更加積極的姿態融入世界，中國經濟持續穩定快速發展有利于擴大全球需求，許多國際公司都紛紛在中國投資，中國已經成為世界微特電機的主要市場。

    3.2  我國微特電機行業面臨的機遇和挑戰

    (1)  激烈競爭的局面

    隨著我國加入WTO，經濟與科技一體化，我國電機行業企業將面臨更激烈的競爭。一方面加入WTO有利于我國參與經濟全球化。經濟全球化是當前國際經濟發展的趨勢，我國可在經濟全球化中發展自己。另一方面也有利于與跨國公司合作，跨國公司是經濟全球化的主要動力。許多跨國公司已經或正在將制造、采購中心移到中國，國內也有越來越多的企業開始面向全球生產經營，這表明中國正積極的融入全球化中，并在國際貿易和經濟合作中扮演著重要角色。

    同時，許多國際公司的產品大量進入我國，使得我國微特電機的市場形勢十分嚴峻。中國是微特電機生產大國，但不是技術強國。中國微特電機行業與發達國家比，整體上差距明顯，存在產品檔次、技術水平偏低，生產規模不大，生產自動化程度較低等問題。國內同行必須在技術、質量、品種、價格和售后服務方面和外國公司進行一場激烈的競爭。

    同時，國企改制、世界上其他國家對我國機電行業設置技術壁壘和原材料價格居高不下等因素，給我國微特電機行業發展增加了不少變數，我們要采取必要的應對措施。中國微特電機行業與發達國家比，整體上差距明顯，存在產品檔次、技術水平偏低，市場份額小，生產規模不大，生產自動化程度較低等問題。隨著全球經濟一體化進程的加快，此行業將遭遇更多的挑戰。中國自主設計、生產的高檔微特電機產品會受到嚴重沖擊。國外的高檔微特電機產品低稅進入后，會對中國產品在這一領域的市場份額形成較大沖擊。隨著國外制造商將更多的工廠和設計、開發中心搬到中國，建立起更加高效的配送網絡，憑借其全球貨物流量獲得更低的價格，其產品競爭力將得到進一步提高，中低檔產品也將對中國產品形成沖擊。 

    (2)  微特電機產品的發展趨勢

    微特電機制造工序多、涉及精密機構、精細化、微細加工、磁材料處理、繞組制造、絕緣處理等工藝技術，需要的工藝裝備數量大、精度高。是勞動密集型和技術密集型的高新技術產業。國際微特電機技術領域主要發展趨勢如下：

    ?  產品向網絡化、輕薄短小化、永磁化、無鐵芯化、無刷化、驅動器電機一體化、低電壓化、高性能和智能化趨勢發展。

    在網絡化和輕薄短小化方面，主要是針對傳統產品性能的提高和產品尺寸的縮小。例如對汽車、電動自行車用電機，采用網絡化控制、盤式結構，以便同車輛使用部位相適應，縮小體積。又如對旋轉變壓器，采用補償，在同樣的性能水平下，可以縮小一個機座號，或者同樣機座下可提高精度。對多極旋變，誤差精度大幅提高。對家電及其他場合使用的交流和直流微電機，采用塑料封工藝技術，可提高溫度，降低噪聲。為了獲得好的動態性能，降低系統成本，無鐵芯電機今后在品種規格和產量上將會大幅度增長。這類電機在直流印刷繞組電機、盤式繞組電機、杯形電樞直流微電機等方面，將得以廣泛推廣，用于汽車、電動助力車、印刷設備以及自動化裝置和軍事裝備中。在生命科學方面，主要發展低電壓化、驅動器電機一體化和智能化的產品。

    在無刷化方面，主要發展無刷直流電機，以提高產品的可靠性和壽命。無刷電機已經廣泛應用于家用電器、聲像設備、汽車等領域。例如在變頻空調器中采用無刷直流電機替代異步電動機，效率可明顯提高。空調器的室內風機如用塑封無刷直流電機替代原有的單相異步電機，可獲得較好的速度調節特性低噪聲。無刷電機的性能優勢，已經使其取得廣闊的市場前景。

    在組合化方面主要是適應軍事裝備和工業自動化設備的小型化要求，將驅動器、角度傳感器、速度傳感器、伺服電動機、減速器和制動器等根據不同用途組合成一體，發展驅動器電機一體化產品，作為一個獨立的功能組件或部件，或者發展直接驅動和直線驅動產品。例如整機采用電機轉子直接作為驅動元件，省掉了中間的傳動機構，不但使其結構簡化，又可以提高系統精度。

    ?  生產技術向集約化、柔性化、自動化、專業化以及生產協作配套網絡化發展。

    隨著國際市場競爭的加劇，微特電機產品的市場壽命越來越短，因此，要十分重視微特電機生產線柔性化生產，來克服以多品種小批量為特點的微特電機生產組織上的困難。而生產方式集約化、自動化和專業化、生產協作配套和網絡化，則可以使以大批量為特點的微特電機生產實現規模化經濟。繼續采用CAD/CAM等軟件，縮短產品研發周期和減少成本。
    
    ?  測試技術向高效和自動化發展。 

    電機驅動與控制采用中大規模集成電路后，控制電路簡化，有利于電機的驅動器輕薄短小化，并使驅動精度和可靠性提高，同時降低成本。隨著電機性能的提高，要求與其配套的檢測技術精確度更高。

    ?  大型精密、復雜、長壽命模具向高技術含量模具發展。

    隨著國民經濟總量和工業產品技術的不斷發展，各行各業對模具的需求量越來越大，技術要求也越來越高。發展重點應該是既能滿足大量需要，又有較高技術含量，特別是目前國內尚不能自給、需大量進口的模具和能代表發展前景的大型精密、復雜、長壽命模具。由于模具標準件的種類、數量、水平、生產集中度等對整個模具行業的發展有重大影響。因此，一些重要的模具標準件也必須重點發展，其發展速度應快于模具的發展速度，這樣才能不斷提高我國的模具標準化水平，從而提高模具質量，縮短模具生產周期及降低成本。由于我國的模具產品在國際市場上擁有較大的價格優勢，因此對于出口前景好的模具產品也應作為重點來發展。

    3.3  產品市場

    微特電機的市場主要在：家用電器用電機、汽車用電機、計算機及其外設用電機、辦公自動化設備用電機、工人自動化及機器人用電機、視聽音響設備用電機、舞臺燈光用電機、攝影器材用電機、電動工具用電機等。

    (1)  產品應用領域的分析

    產品應用領域主要在：工業控制、電動車輛、汽車電器、信息處理、家用電器、醫療設備、半導體、健身器材、紡織機械、服裝制造業、包裝機械、印刷機械、國防領域、其他特殊行業。

    電動車輛和汽車電器作為汽車電子的主要內容，是今后重要的應用領域。隨著技術的進步，汽車本身的數字化程度越來越高，汽車電子化已被視為衡量一個國家汽車工業發展水平的重要標志。預計未來5年內，汽車電子產品占汽車成本的比例將達到50%，對我國微特電機從業者而言是全新的機遇。據統計，2004年全球汽車電子業市場規模約為150億美元，全球市場銷售額在近一、二年將超過1000億美元。汽車產業快速發展和日益擴大的市場需求，為微特電機產業提供了新的發展機遇。

圖1  微特電機未來5年產品應用領域

    (2)  產品市場分布格局（如圖2所示）

圖2  微特電機產品市場分布格局

    其中：工業控制的市場大約為12%；汽車電器的為20%；信息處理為13.2%；家用電器為18%；健身器材為6.2%；醫療設備4.8%；印刷機械為4%；紡織機械3%等。其中信息處理已經包括我們新型的家庭網絡設備。

    (3)  產品制造的地域分布格局（如圖3所示）。

圖3  微特電機產品制造的地域分布格局

    主要在：西北地區約占5%；西南地區約占2%；華南地區約占25%；華東約占23%；華北約占15%；東北約占10%；中南約占15%。可以看到，我國的華東和華南市場大約占全國市場的一半。

    (4)  微特電機的國際貿易分析

    由于許多跨國公司已經或正在將制造、采購中心移到中國，國內也有越來越多的企業開始面向全球生產經營，我國的微特電機正積極的融入全球化中，在國際貿易和經濟合作，我國生產的微特電機大約在國際市場中占60%，扮演著十分重要的角色。產品國際貿易，主要體現在產品的直接出口、配套出口和產品的來料加工返銷。目前來看：直接出口的不多，配套出口和產品的來料加工返銷的比較多。

4  結論

    2004年12月我國電機制造業共有1167家生產企業，全部從業人員388282人，資產總計接近972億。2004全年電機行業工業總產值為993億，產品銷售收入938億，利潤總額49.1億。我國生產的微特電機已經占世界市場的60%以上。未來5～10年，我國微特電機行業有非常大的發展空間：

    ?  從市場增長速度看，汽車電子用的微特電機已經成為我國微特電機產業發展一個新的市場增長點。目前我國汽車電子企業面臨政策層面缺失、核心技術空白及市場邊緣化生存等問題，需要業內人士采取各種措施，以技術創新帶動產品化，推進微特電機產業在汽車電子方面的應用和發展。首先要求確定“有所為，有所不為”的方向。選擇有優勢的產品作為突破口，培育一個自己的微特電機配套體系；然后，要利用國內外先進的汽車電子控制單元，進行系統集成，形成真正意義上的具有自主知識產權的汽車電子控制系統，以此就可形成自己的標準，逐步進入良性的發展軌道。

    ?  從制造技術看：網絡化敏捷制造逐漸成為21世紀企業所應采用的先進制造模式。在當前經濟全球化、信息和服務網絡化的大趨勢下，網絡化敏捷制造技術和系統能夠較好地滿足企業開展市場競爭的核心需求。網絡化敏捷制造是企業為應對知識經濟和制造全球化的挑戰，實施的以快速響應市場需求和提高企業（企業群體）競爭力為主要目標的一種先進制造模式。通過采用先進的網絡技術、制造技術及其它相關的技術，構建面向企業特定需要的基于網絡的制造系統，并在系統支持下，突破空間地域對企業生產經營范圍和方式的約束，開展覆蓋產品整個生命周期全部或部分環節的微特電機企業的業務活動（如產品設計、制造、銷售、采購、管理等），實現企業間的協同和各種社會資源的共享與集成，網絡化敏捷制造為企業指出了在網絡環境下，通過企業間協同，集成和利用全社會資源開展企業的生產經營管理活動的指導思想。

    ?  從生產制造模式看：發展形成微特電機產業具有“集成化、網絡化、數字化、智能化、綠色化”特征的現代集成制造系統理論、方法、技術、工具、形成了以網絡化為特征的具有中國特色的先進制造模式。網絡制造的實質是在獲得市場機遇時，利用網絡技術把地理上分散的企業和制造資源組織起來，結成聯盟企業，進行新產品開發和生產，實現優勢互補，提高快速響應市場的能力，達到聯合起來去競爭的目的。這種利用因特網實現跨企業、跨地區的聯盟模式將成為新世紀制造業的重要發展趨勢。這種生產模式充分體現了技術與管理的密切結合，是利用信息技術提升微特電機企業的重要途徑。

    ?  從微米/納米制造技術看，也有發展空間。隨著人們對許多工業產品的功能集成化和外形小型化的需求，使零部件的尺寸日趨微小化。進入人體的醫療器械和管道自動檢測裝置等都需要微型的齒輪、電機、傳感器和控制電路，這些需要促使微細加工和納米制造技術在20世紀70年代的出現，它們也促使了微型機械向系統化方向發展，并形成了有廣闊發展前景的微機電系統（MEMS），微型機械在國外已受到政府部門的重視。世界上納米科技水平最先進的國家是美國、日本、德國、英國。目前世界上已實現商品規模生產的納米材料有：金剛石、磁性材料、金屬、陶瓷、復合材料、半導體材料、生物醫用材料等。我國在微機械研究方面，先后研制出靜電、電壓和電磁式的微電機、微泵和微閥、壓電與形狀記憶合金微夾鉗以及微操作系統模型等，建立了兩個微加工基地（IC、LIGA）和一個項目研究中心。進入21世紀以來，鑒于納米技術和納米材料在未來高新技術發展中的重要地位及產業化的美好前景，發展微米/納米制造技術，并從戰略高度部署微納系統的設計技術、微型裝配與封裝技術、微納測試與表征技術等方面的研究，成為提高我國在未來10年乃至20年的國際上的競爭地位的重要手段。

    ?  從生產環境看：沒有污染、進行綠色生產是今后的發展方向。綠色制造技術在我國目前尚處起步階段。誰掌握了綠色生產技術，誰的產品符合“綠色產品”標準，誰就掌握了主動權，就會在競爭中取得成功。