現(xiàn)代電機發(fā)展方向與關(guān)鍵技術(shù)
沈建新，方宗喜
(浙江大學，浙江杭州310027)
摘要：現(xiàn)代電機往往不再是零件級的執(zhí)行器，而是具有特定功能的完整機電一體化系統(tǒng)。介紹現(xiàn)代電機的主要發(fā)展方向，以及有待進一步發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)代電機；發(fā)展；關(guān)鍵技術(shù)
中圖分類號：TM30 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)06—0055—03
0引 言
現(xiàn)代電機既可以用來提供功率(提供動力)，也可以用來提供控制(如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、位置等控制)，或者兩者兼而有之�，F(xiàn)代電機不僅僅是一種零件級的產(chǎn)品，而是已經(jīng)上升到了系統(tǒng)級的層面。這不僅對現(xiàn)代電機的設(shè)計、生產(chǎn)提出了更高的要求，同時也提供了更廣闊的產(chǎn)品應(yīng)用空間、經(jīng)濟利潤空間和行業(yè)發(fā)展空間。
本文介紹現(xiàn)代電機的若干發(fā)展方向和需要進一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
1發(fā)展方向
電機種類很多，應(yīng)用背景與要求各不相同，這就決定了現(xiàn)代電機發(fā)展的多樣性。主要的發(fā)展方向可以概括為以下幾個方面：
(1)無刷化
在很多應(yīng)用場合電源都是直流的，因此傳統(tǒng)的有刷直流電動機的使用非常廣泛。但是有刷電動機有很多缺點，如換向火花大、電磁干擾嚴重、壽命短等等。所以目前正逐漸被無刷電動機所替代。無刷電動機的種類很多，雖然最常用的是指永磁無刷直流電動機，但是其他的只要不帶電刷換向裝置的電動機，像永磁同步電動機、步進電動機、開關(guān)磁阻電動機等，都可以算作無刷電動機。這些無刷化的電動機都可克服傳統(tǒng)有刷直流電動機的缺點。
(2)直驅(qū)化
電機通常是運行在每分鐘數(shù)百至數(shù)千轉(zhuǎn)的速度，但是很多應(yīng)用場合需要很低或很高的轉(zhuǎn)速，這樣就需要一套轉(zhuǎn)速變換機構(gòu)。還有些應(yīng)用場合要求線性運動或其他的運動方式，就需要一套變換運動方式的機構(gòu)。這些機構(gòu)不僅增加系統(tǒng)體積、降低可靠性，還降低系統(tǒng)效率和控制精度。所以，直接驅(qū)動是現(xiàn)代電機驅(qū)動的一個重要研究方向，高速電機、低速大轉(zhuǎn)矩電機、直線電機等特種電機也就應(yīng)運而生。
(3)極速化
這是與直驅(qū)化相關(guān)聯(lián)的。為了實現(xiàn)直接驅(qū)動、提高運行精度，就經(jīng)常會需要一些速度極高或極低的電機。這對電機本體設(shè)計及控制方法都提出了很高的要求，也是現(xiàn)代電機與驅(qū)動領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。各種新型的電機(包括非電磁式的運動機械，如超聲波電動機)也就不斷被開發(fā)出來并得到習漸廣泛的應(yīng)用。
(4)調(diào)速化
傳統(tǒng)的電機驅(qū)動系統(tǒng)中，電機往往是工作在開、關(guān)方式的。頻繁的開關(guān)對電機、控制器和電網(wǎng)(電源)都帶來很大的沖擊，降低其可靠性。而且，被控對象(即電機的負載)的性能也會受到影響，例如，傳統(tǒng)開關(guān)方式的空調(diào)的舒適度比采用變頻調(diào)速方式的空調(diào)要差得多。因此，現(xiàn)代電機經(jīng)常采用調(diào)速運行的方式，既可克服上述的缺點，還可以提高整個系統(tǒng)效率與性能。
(5)小型、微型化
很多產(chǎn)品往往對電機的體積提出了很高的要求。為了達到小型、微型化的目的，一方面需要不斷使用新型的高性能材料與電子元器件，提高電機的功率密度，另一方面還要不斷研究新型的電機拓撲結(jié)構(gòu)和運行原理。
(6)伺服化
現(xiàn)代電機及驅(qū)動裝置不僅僅是為了提供動力，還要實現(xiàn)各種控制，如轉(zhuǎn)速跟蹤、位置控制等等。因此要對電機進行伺服控制。這需要從電機本體、電力電子驅(qū)動器、傳感器及控制技術(shù)等多個方面來實現(xiàn)。
(7)機電一體化
現(xiàn)代電機已經(jīng)不僅僅局限于傳統(tǒng)電機的范疇，它涵蓋了電機本體、計算機與電子控制器、功率變換器、傳感器和控制技術(shù)等多個方面，而且在電機的設(shè)計、制造時，還往往要與后級的執(zhí)行機構(gòu)和負載(如各種機械、液壓、氣動裝置)整合起來。這樣，現(xiàn)代電機往往已不是一個零件級的執(zhí)行器，而是一個可以實現(xiàn)預定功能的完整的機電一體化系統(tǒng)。
(8)智能化
如前所述，現(xiàn)代電機不僅僅是簡單地提供動力，還要提供高精度的復雜的運動控制，還要具備自適應(yīng)、自學習、自保護等功能。這些功能的實現(xiàn)，都離不開智能化。而智能化的實現(xiàn)，又離不開現(xiàn)代控制理論、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和新型材料。
所以，現(xiàn)代電機是一種多學科交叉的綜合性科學技術(shù)，其發(fā)展方向也是廣泛、多樣的。
2關(guān)鍵技術(shù)
現(xiàn)階段我國在電機領(lǐng)域需著重解決的關(guān)鍵技術(shù)有下面幾個方面。
(1)綜合仿真與設(shè)計技術(shù)
電機是機、電、磁、溫度等多場耦合、交叉的非線性多變量復雜系統(tǒng)。目前我國對電機的分析、設(shè)計往往還停留在簡單的磁路法或經(jīng)驗公式的計算上。有限元磁場分析的應(yīng)用雖然已逐漸增多，但主要還是在高校和研究院所的層面，而生產(chǎn)企業(yè)卻很少使用。對電機的機械應(yīng)力、強度、振動等的分析以及溫度場的分析都非常少。即使有這樣的分析，也都是簡單的、孤立的。但是，事實上電機是多場耦合的，各種物理參數(shù)是相互影響的。例如，溫度的變化會影響磁性材料的性能，進而影響電機的輸出功率和損耗，再影響電機的溫升，因此這是一個復雜的閉環(huán)系統(tǒng)。所以，簡單、孤立的分析是不夠的；進行電機的多場交叉仿真和分析，并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，是非常必要的。更何況，上述情況還只是針對電機本體的，而現(xiàn)代電機還包括了驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)等復雜的機電一體化系統(tǒng)，因此綜合仿真與設(shè)計是必
不可少的。但是，目前國內(nèi)外尚沒有這樣的現(xiàn)存技術(shù)。所以，有必要投入大量的人力、物力和財力開展這方面的研究。
(2)高效節(jié)能電機技術(shù)
眾所周知，百分之60左右的電能是由電機消耗的，因此電機的效率至關(guān)重要。對于小功率和微特電機，目前效率往往比大電機低，而這些電機的總量又非常大。所以，采用先進設(shè)計技術(shù)、先進材料、先進驅(qū)動和控制技術(shù)，是提高中小型和微特電機效率、達到節(jié)約能源目的的重要手段。對于感應(yīng)電機，目前我國已形成了高效電機型譜，雖然進一步提高效率的
空間已經(jīng)不太大，但是其效率總體來說還是比永磁電機略低。另一方面，對各種特種電機，由于電機結(jié)構(gòu)、功能、應(yīng)用場合等多方面的因素，還沒有形成高效電機型譜，因此有必要開展高效電機產(chǎn)品系列化的工作。而開展這項工作的前提是在電機結(jié)構(gòu)、工藝、控制等方面研究出各種高效節(jié)能技術(shù)。
(3)極端條件下的特種電機技術(shù)
有很多現(xiàn)代特種電機都是應(yīng)用在極端條件下的。例如，有的電機要求轉(zhuǎn)速非常高，如小型燃氣輪發(fā)電機，轉(zhuǎn)速在每分鐘lO萬轉(zhuǎn)以上；也有的電機要求轉(zhuǎn)速非常低，某些天線的定位電機，轉(zhuǎn)速不到每小時l轉(zhuǎn)并且要求均勻性、穩(wěn)定性和抗干擾性很好；還有些電機要求有非常寬的速度范圍，例如某些衛(wèi)星上的慣導電機要求轉(zhuǎn)速在O.l～10000 r／min之間可調(diào)。又如，有些電機的工作條件非常惡劣，象月球車電機的工作溫度在-60℃～+150℃之間，而貯存溫度范圍更是達到一150。C～+180℃，這樣的溫度條件下一般的電子元器件都會失效、有機材料也很容易老化，而電機內(nèi)部的機械應(yīng)力也有非常嚴重的不利影響。再如，有些電機因受外界條件限制而必須小型化、微型化，航空航天用的電機一般都是這個情況。這就意味著電機的功率密度很高，同時損耗密度電很高，所以電機的溫度場分布和散熱情況就成了非常需要關(guān)注的問題。還有的電機處在潮濕、鹽霧、振動等惡劣的工況下，更有些應(yīng)用場合是多種惡劣工況并存。這樣的極端條件使得特種電機的設(shè)計、制造都具有很高的挑戰(zhàn)性。雖然很難找到普遍適用的解決方案，但是完全有必要從電機的機、電、磁、溫等多方面進行統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)計，研究新型電機拓撲結(jié)構(gòu)，并采用特殊的電機材料、以及特殊的生產(chǎn)和試驗手段�？傮w而言，極端條件下的特種電機的需求愈來愈多，要求愈來愈獨特，難度愈來愈高，但發(fā)
展機遇也愈來愈多，具有廣闊的發(fā)展空間。
(4)高精度與大功率伺服電機技術(shù)
伺服電機技術(shù)牽涉到電機設(shè)計與制造、電力電子功率變換技術(shù)、電子學和現(xiàn)代控制理論等多個學科，應(yīng)用越來越廣泛，例如數(shù)控機床、注塑機、汽車電動助力轉(zhuǎn)向器，乃至坦克和火炮的轉(zhuǎn)動炮塔等等。近年來我國已經(jīng)廣泛開展電機伺服技術(shù)的研究，但是存在兩個問題：第一，目前伺服電機的功率較小，成熟的型譜一般不超過30 kw。但是，在很多應(yīng)用場合，大功率的伺服電機需求量非常大。國外大功率的伺服技術(shù)比我國較優(yōu)，但也不甚成熟，而且一般對我國技術(shù)限制。因此我們既缺少自己的大功率伺服電機技術(shù)，也無法從國外進口。所以，有必要發(fā)展大功率的伺服電機技術(shù)。第二，目前我國伺服電機的控制精度較低，與國外先進技術(shù)相比存在較大差距，不能滿足高端產(chǎn)品的要求。國外的高精度伺服技術(shù)對我國也是不開放的；只有中等水平的技術(shù)才可出口到我國，并且價格非常高。國外企業(yè)與國內(nèi)企業(yè)在伺服電機領(lǐng)域也有合作，但一般都是將電機本體的圖紙拿到我國來生產(chǎn)，主要是利用我國的人力和材料成本較低的優(yōu)勢；而控制驅(qū)動器是國外企業(yè)的核心技術(shù)，很少到我國來生產(chǎn)。我國電機企業(yè)通過引進、消化吸收以及自主創(chuàng)新等途徑，逐漸掌握了中、低水平的伺服電機本體的設(shè)計技術(shù)和生產(chǎn)制造能力，但是控制驅(qū)動器的發(fā)展則仍然比較慢，還在較低水平徘徊。因此，總體而言，我國目前已經(jīng)掌握了低端的伺服電機技術(shù)，可以進口到并且正在白行發(fā)展中等水平的伺服電機技術(shù)，但對于高端伺服電機，無論是技術(shù)還是進口渠道都是空白。
(5)先進的生產(chǎn)制造技術(shù)
隨著現(xiàn)代電機要求的提高，傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造技術(shù)已經(jīng)無法滿足要求。這里包括以下幾個方面：第一，傳統(tǒng)電機生產(chǎn)材料已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代電機的需求，所以要大力發(fā)展具有更高磁性能、更低損耗、更易散熱、更高工作溫度、更易加工、更好電磁兼容特性、更適合特殊拓撲結(jié)構(gòu)的電機生產(chǎn)材料。當然，上述內(nèi)容還只是針對電機本體的，對電機的驅(qū)動控制器，同樣也提出了類似需求，例如，更高電壓和電流等級、更可靠的功率模塊，更低功耗、使用更方便靈活的控制芯片等，都需要進一步發(fā)展。第二，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝和設(shè)備無法滿足現(xiàn)代電機的需求。很多電機的設(shè)計性能非常好，但實際性能大相徑庭，主要是受到生產(chǎn)工藝和設(shè)備的限制，實際的零件加工精度、材料熱處理特性等等都與設(shè)計值相去甚遠。也有的情況是，雖然電機的實際性能可以滿足設(shè)計指標，但是加工非常困難、成本很高、成品率很低、一致性很差，不適合大批量生產(chǎn)，或者生產(chǎn)過程中能耗很高、對環(huán)境造成污染等。這些情況都跟生產(chǎn)工藝和設(shè)備有關(guān)。所以，一方面要發(fā)展更好的生產(chǎn)設(shè)備，另一方面要不斷研究更好的新型生產(chǎn)工藝。第三，傳統(tǒng)的電機測試系統(tǒng)也無法滿足現(xiàn)代電機的要求。檢驗、試驗、測試都是現(xiàn)代電機生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。在目前條件下，很多電機企業(yè)不能對電機指標進行全面測
試考核，不少指標無法測或者測不準。這些問題在產(chǎn)品的試樣和中試階段帶來的影響顯得尤其嚴重。目前很多高端的電機性能測試設(shè)備和環(huán)境試驗設(shè)備都還依賴進口。所以需要加大力度開展這方面的研發(fā)工作。
現(xiàn)代電機技術(shù)是多學科交叉的綜合技術(shù)，其生產(chǎn)也牽涉到很多方面。因此，除了上述關(guān)鍵技術(shù)尚需解決外，還有其他一些問題在實際研究和生產(chǎn)過程中反映出來。只有不斷提高我國在電機領(lǐng)域的各項關(guān)鍵技術(shù)，才能發(fā)展電機產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟和社會效益。
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