現代電機發展方向與關鍵技術
沈建新，方宗喜
(浙江大學，浙江杭州310027)
摘要：現代電機往往不再是零件級的執行器，而是具有特定功能的完整機電一體化系統。介紹現代電機的主要發展方向，以及有待進一步發展的若干關鍵技術。
關鍵詞：現代電機；發展；關鍵技術
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(如轉速、轉角、位置等控制)，或者兩者兼而有之。現代電機不僅僅是一種零件級的產品，而是已經上升到了系統級的層面。這不僅對現代電機的設計、生產提出了更高的要求，同時也提供了更廣闊的產品應用空間、經濟利潤空間和行業發展空間。
本文介紹現代電機的若干發展方向和需要進一步發展的關鍵技術。
1發展方向
電機種類很多，應用背景與要求各不相同，這就決定了現代電機發展的多樣性。主要的發展方向可以概括為以下幾個方面：
(1)無刷化
在很多應用場合電源都是直流的，因此傳統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有刷直流電動機的缺點。
(2)直驅化
電機通常是運行在每分鐘數百至數千轉的速度，但是很多應用場合需要很低或很高的轉速，這樣就需要一套轉速變換機構。還有些應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。這些機構不僅增加系統體積、降低可靠性，還降低系統效率和控制精度。所以，直接驅動是現代電機驅動的一個重要研究方向，高速電機、低速大轉矩電機、直線電機等特種電機也就應運而生。
(3)極速化
這是與直驅化相關聯的。為了實現直接驅動、提高運行精度，就經常會需要一些速度極高或極低的電機。這對電機本體設計及控制方法都提出了很高的要求，也是現代電機與驅動領域的重要發展方向之一。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)也就不斷被開發出來并得到習漸廣泛的應用。
(4)調速化
傳統的電機驅動系統中，電機往往是工作在開、關方式的。頻繁的開關對電機、控制器和電網(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，傳統開關方式的空調的舒適度比采用變頻調速方式的空調要差得多。因此，現代電機經常采用調速運行的方式，既可克服上述的缺點，還可以提高整個系統效率與性能。
(5)小型、微型化
很多產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構和運行原理。
(6)伺服化
現代電機及驅動裝置不僅僅是為了提供動力，還要實現各種控制，如轉速跟蹤、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、電力電子驅動器、傳感器及控制技術等多個方面來實現。
(7)機電一體化
現代電機已經不僅僅局限于傳統電機的范疇，它涵蓋了電機本體、計算機與電子控制器、功率變換器、傳感器和控制技術等多個方面，而且在電機的設計、制造時，還往往要與后級的執行機構和負載(如各種機械、液壓、氣動裝置)整合起來。這樣，現代電機往往已不是一個零件級的執行器，而是一個可以實現預定功能的完整的機電一體化系統。
(8)智能化
如前所述，現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、自學習、自保護等功能。這些功能的實現，都離不開智能化。而智能化的實現，又離不開現代控制理論、傳感器技術、電子技術和新型材料。
所以，現代電機是一種多學科交叉的綜合性科學技術，其發展方向也是廣泛、多樣的。
2關鍵技術
現階段我國在電機領域需著重解決的關鍵技術有下面幾個方面。
(1)綜合仿真與設計技術
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。目前我國對電機的分析、設計往往還停留在簡單的磁路法或經驗公式的計算上。有限元磁場分析的應用雖然已逐漸增多，但主要還是在高校和研究院所的層面，而生產企業卻很少使用。對電機的機械應力、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系統。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，并在此基礎上進行優化設計，是非常必要的。更何況，上述情況還只是針對電機本體的，而現代電機還包括了驅動器、執行機構等復雜的機電一體化系統，因此綜合仿真與設計是必
不可少的。但是，目前國內外尚沒有這樣的現存技術。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)高效節能電機技術
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，采用先進設計技術、先進材料、先進驅動和控制技術，是提高中小型和微特電機效率、達到節約能源目的的重要手段。對于感應電機，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，由于電機結構、功能、應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品系列化的工作。而開展這項工作的前提是在電機結構、工藝、控制等方面研究出各種高效節能技術。
(3)極端條件下的特種電機技術
有很多現代特種電機都是應用在極端條件下的。例如，有的電機要求轉速非常高，如小型燃氣輪發電機，轉速在每分鐘lO萬轉以上；也有的電機要求轉速非常低，某些天線的定位電機，轉速不到每小時l轉并且要求均勻性、穩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，例如某些衛星上的慣導電機要求轉速在O.l～10000 r／min之間可調。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，而電機內部的機械應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計、制造都具有很高的挑戰性。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、溫等多方面進行統一優化設計，研究新型電機拓撲結構，并采用特殊的電機材料、以及特殊的生產和試驗手段。總體而言，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
展機遇也愈來愈多，具有廣闊的發展空間。
(4)高精度與大功率伺服電機技術
伺服電機技術牽涉到電機設計與制造、電力電子功率變換技術、電子學和現代控制理論等多個學科，應用越來越廣泛，例如數控機床、注塑機、汽車電動助力轉向器，乃至坦克和火炮的轉動炮塔等等。近年來我國已經廣泛開展電機伺服技術的研究，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比我國較優，但也不甚成熟，而且一般對我國技術限制。因此我們既缺少自己的大功率伺服電機技術，也無法從國外進口。所以，有必要發展大功率的伺服電機技術。第二，目前我國伺服電機的控制精度較低，與國外先進技術相比存在較大差距，不能滿足高端產品的要求。國外的高精度伺服技術對我國也是不開放的；只有中等水平的技術才可出口到我國，并且價格非常高。國外企業與國內企業在伺服電機領域也有合作，但一般都是將電機本體的圖紙拿到我國來生產，主要是利用我國的人力和材料成本較低的優勢；而控制驅動器是國外企業的核心技術，很少到我國來生產。我國電機企業通過引進、消化吸收以及自主創新等途徑，逐漸掌握了中、低水平的伺服電機本體的設計技術和生產制造能力，但是控制驅動器的發展則仍然比較慢，還在較低水平徘徊。因此，總體而言，我國目前已經掌握了低端的伺服電機技術，可以進口到并且正在白行發展中等水平的伺服電機技術，但對于高端伺服電機，無論是技術還是進口渠道都是空白。
(5)先進的生產制造技術
隨著現代電機要求的提高，傳統的生產制造技術已經無法滿足要求。這里包括以下幾個方面：第一，傳統電機生產材料已經無法滿足現代電機的需求，所以要大力發展具有更高磁性能、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、更適合特殊拓撲結構的電機生產材料。當然，上述內容還只是針對電機本體的，對電機的驅動控制器，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，都需要進一步發展。第二，傳統的生產工藝和設備無法滿足現代電機的需求。很多電機的設計性能非常好，但實際性能大相徑庭，主要是受到生產工藝和設備的限制，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，或者生產過程中能耗很高、對環境造成污染等。這些情況都跟生產工藝和設備有關。所以，一方面要發展更好的生產設備，另一方面要不斷研究更好的新型生產工藝。第三，傳統的電機測試系統也無法滿足現代電機的要求。檢驗、試驗、測試都是現代電機生產的重要環節。在目前條件下，很多電機企業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備和環境試驗設備都還依賴進口。所以需要加大力度開展這方面的研發工作。
現代電機技術是多學科交叉的綜合技術，其生產也牽涉到很多方面。因此，除了上述關鍵技術尚需解決外，還有其他一些問題在實際研究和生產過程中反映出來。只有不斷提高我國在電機領域的各項關鍵技術，才能發展電機產業，創造良好的經濟和社會效益。
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