现代电机发展方向与关键技术

  沈建新，方宗喜

(浙江大学，浙江杭州310027)

    摘要：现代电机往往不再是零件级的执行器，而是具有特定功能的完整机电一体化系统。介绍现代电机的主要发展方向，以及有待进一步发展的若干关键技术。

    关键词：现代电机；发展；关键技术

    中图分类号：TM30  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)06—0055—03

0引  言

    现代电机既可以用来提供功率(提供动力)，也可以用来提供控制(如转速、转角、位置等控制)，或者两者兼而有之。现代电机不仅仅是一种零件级的产品，而是已经上升到了系统级的层面。这不仅对现代电机的设计、生产提出了更高的要求，同时也提供了更广阔的产品应用空间、经济利润空间和行业发展空间。

    本文介绍现代电机的若干发展方向和需要进一步发展的关键技术。

1发展方向

    电机种类很多，应用背景与要求各不相同，这就决定了现代电机发展的多样性。主要的发展方向可以概括为以下几个方面：

    (1)无刷化

    在很多应用场合电源都是直流的，因此传统的有刷直流电动机的使用非常广泛。但是有刷电动机有很多缺点，如换向火花大、电磁干扰严重、寿命短等等。所以目前正逐渐被无刷电动机所替代。无刷电动机的种类很多，虽然最常用的是指永磁无刷直流电动机，但是其他的只要不带电刷换向装置的电动机，像永磁同步电动机、步进电动机、开关磁阻电动机等，都可以算作无刷电动机。这些无刷化的电动机都可克服传统有刷直流电动机的缺点。

    (2)直驱化

    电机通常是运行在每分钟数百至数千转的速度，但是很多应用场合需要很低或很高的转速，这样就需要一套转速变换机构。还有些应用场合要求线性运动或其他的运动方式，就需要一套变换运动方式的机构。这些机构不仅增加系统体积、降低可靠性，还降低系统效率和控制精度。所以，直接驱动是现代电机驱动的一个重要研究方向，高速电机、低速大转矩电机、直线电机等特种电机也就应运而生。

    (3)极速化

    这是与直驱化相关联的。为了实现直接驱动、提高运行精度，就经常会需要一些速度极高或极低的电机。这对电机本体设计及控制方法都提出了很高的要求，也是现代电机与驱动领域的重要发展方向之一。各种新型的电机(包括非电磁式的运动机械，如超声波电动机)也就不断被开发出来并得到习渐广泛的应用。

    (4)调速化

    传统的电机驱动系统中，电机往往是工作在开、关方式的。频繁的开关对电机、控制器和电网(电源)都带来很大的冲击，降低其可靠性。而且，被控对象(即电机的负载)的性能也会受到影响，例如，传统开关方式的空调的舒适度比采用变频调速方式的空调要差得多。因此，现代电机经常采用调速运行的方式，既可克服上述的缺点，还可以提高整个系统效率与性能。

  (5)小型、微型化

  很多产品往往对电机的体积提出了很高的要求。为了达到小型、微型化的目的，一方面需要不断使用新型的高性能材料与电子元器件，提高电机的功率密度，另一方面还要不断研究新型的电机拓扑结构和运行原理。

    (6)伺服化

    现代电机及驱动装置不仅仅是为了提供动力，还要实现各种控制，如转速跟踪、位置控制等等。因此要对电机进行伺服控制。这需要从电机本体、电力电子驱动器、传感器及控制技术等多个方面来实现。

    (7)机电一体化

    现代电机已经不仅仅局限于传统电机的范畴，它涵盖了电机本体、计算机与电子控制器、功率变换器、传感器和控制技术等多个方面，而且在电机的设计、制造时，还往往要与后级的执行机构和负载(如各种机械、液压、气动装置)整合起来。这样，现代电机往往已不是一个零件级的执行器，而是一个可以实现预定功能的完整的机电一体化系统。

    (8)智能化

    如前所述，现代电机不仅仅是简单地提供动力，还要提供高精度的复杂的运动控制，还要具备自适应、自学习、自保护等功能。这些功能的实现，都离不开智能化。而智能化的实现，又离不开现代控制理论、传感器技术、电子技术和新型材料。

    所以，现代电机是一种多学科交叉的综合性科学技术，其发展方向也是广泛、多样的。

2关键技术

    现阶段我国在电机领域需着重解决的关键技术有下面几个方面。

  (1)综合仿真与设计技术

  电机是机、电、磁、温度等多场耦合、交叉的非线性多变量复杂系统。目前我国对电机的分析、设计往往还停留在简单的磁路法或经验公式的计算上。有限元磁场分析的应用虽然已逐渐增多，但主要还是在高校和研究院所的层面，而生产企业却很少使用。对电机的机械应力、强度、振动等的分析以及温度场的分析都非常少。即使有这样的分析，也都是简单的、孤立的。但是，事实上电机是多场耦合的，各种物理参数是相互影响的。例如，温度的变化会影响磁性材料的性能，进而影响电机的输出功率和损耗，再影响电机的温升，因此这是一个复杂的闭环系统。所以，简单、孤立的分析是不够的；进行电机的多场交叉仿真和分析，并在此基础上进行优化设计，是非常必要的。更何况，上述情况还只是针对电机本体的，而现代电机还包括了驱动器、执行机构等复杂的机电一体化系统，因此综合仿真与设计是必

不可少的。但是，目前国内外尚没有这样的现存技术。所以，有必要投入大量的人力、物力和财力开展这方面的研究。

    (2)高效节能电机技术

    众所周知，百分之60左右的电能是由电机消耗的，因此电机的效率至关重要。对于小功率和微特电机，目前效率往往比大电机低，而这些电机的总量又非常大。所以，采用先进设计技术、先进材料、先进驱动和控制技术，是提高中小型和微特电机效率、达到节约能源目的的重要手段。对于感应电机，目前我国已形成了高效电机型谱，虽然进一步提高效率的

空间已经不太大，但是其效率总体来说还是比永磁电机略低。另一方面，对各种特种电机，由于电机结构、功能、应用场合等多方面的因素，还没有形成高效电机型谱，因此有必要开展高效电机产品系列化的工作。而开展这项工作的前提是在电机结构、工艺、控制等方面研究出各种高效节能技术。

    (3)极端条件下的特种电机技术

    有很多现代特种电机都是应用在极端条件下的。例如，有的电机要求转速非常高，如小型燃气轮发电机，转速在每分钟lO万转以上；也有的电机要求转速非常低，某些天线的定位电机，转速不到每小时l转并且要求均匀性、稳定性和抗干扰性很好；还有些电机要求有非常宽的速度范围，例如某些卫星上的惯导电机要求转速在O.l～10000 r／min之间可调。又如，有些电机的工作条件非常恶劣，象月球车电机的工作温度在-60℃～+150℃之间，而贮存温度范围更是达到一150。C～+180℃，这样的温度条件下一般的电子元器件都会失效、有机材料也很容易老化，而电机内部的机械应力也有非常严重的不利影响。再如，有些电机因受外界条件限制而必须小型化、微型化，航空航天用的电机一般都是这个情况。这就意味着电机的功率密度很高，同时损耗密度电很高，所以电机的温度场分布和散热情况就成了非常需要关注的问题。还有的电机处在潮湿、盐雾、振动等恶劣的工况下，更有些应用场合是多种恶劣工况并存。这样的极端条件使得特种电机的设计、制造都具有很高的挑战性。虽然很难找到普遍适用的解决方案，但是完全有必要从电机的机、电、磁、温等多方面进行统一优化设计，研究新型电机拓扑结构，并采用特殊的电机材料、以及特殊的生产和试验手段。总体而言，极端条件下的特种电机的需求愈来愈多，要求愈来愈独特，难度愈来愈高，但发

展机遇也愈来愈多，具有广阔的发展空间。

    (4)高精度与大功率伺服电机技术

    伺服电机技术牵涉到电机设计与制造、电力电子功率变换技术、电子学和现代控制理论等多个学科，应用越来越广泛，例如数控机床、注塑机、汽车电动助力转向器，乃至坦克和火炮的转动炮塔等等。近年来我国已经广泛开展电机伺服技术的研究，但是存在两个问题：第一，目前伺服电机的功率较小，成熟的型谱一般不超过30 kw。但是，在很多应用场合，大功率的伺服电机需求量非常大。国外大功率的伺服技术比我国较优，但也不甚成熟，而且一般对我国技术限制。因此我们既缺少自己的大功率伺服电机技术，也无法从国外进口。所以，有必要发展大功率的伺服电机技术。第二，目前我国伺服电机的控制精度较低，与国外先进技术相比存在较大差距，不能满足高端产品的要求。国外的高精度伺服技术对我国也是不开放的；只有中等水平的技术才可出口到我国，并且价格非常高。国外企业与国内企业在伺服电机领域也有合作，但一般都是将电机本体的图纸拿到我国来生产，主要是利用我国的人力和材料成本较低的优势；而控制驱动器是国外企业的核心技术，很少到我国来生产。我国电机企业通过引进、消化吸收以及自主创新等途径，逐渐掌握了中、低水平的伺服电机本体的设计技术和生产制造能力，但是控制驱动器的发展则仍然比较慢，还在较低水平徘徊。因此，总体而言，我国目前已经掌握了低端的伺服电机技术，可以进口到并且正在白行发展中等水平的伺服电机技术，但对于高端伺服电机，无论是技术还是进口渠道都是空白。

    (5)先进的生产制造技术

    随着现代电机要求的提高，传统的生产制造技术已经无法满足要求。这里包括以下几个方面：第一，传统电机生产材料已经无法满足现代电机的需求，所以要大力发展具有更高磁性能、更低损耗、更易散热、更高工作温度、更易加工、更好电磁兼容特性、更适合特殊拓扑结构的电机生产材料。当然，上述内容还只是针对电机本体的，对电机的驱动控制器，同样也提出了类似需求，例如，更高电压和电流等级、更可靠的功率模块，更低功耗、使用更方便灵活的控制芯片等，都需要进一步发展。第二，传统的生产工艺和设备无法满足现代电机的需求。很多电机的设计性能非常好，但实际性能大相径庭，主要是受到生产工艺和设备的限制，实际的零件加工精度、材料热处理特性等等都与设计值相去甚远。也有的情况是，虽然电机的实际性能可以满足设计指标，但是加工非常困难、成本很高、成品率很低、一致性很差，不适合大批量生产，或者生产过程中能耗很高、对环境造成污染等。这些情况都跟生产工艺和设备有关。所以，一方面要发展更好的生产设备，另一方面要不断研究更好的新型生产工艺。第三，传统的电机测试系统也无法满足现代电机的要求。检验、试验、测试都是现代电机生产的重要环节。在目前条件下，很多电机企业不能对电机指标进行全面测

试考核，不少指标无法测或者测不准。这些问题在产品的试样和中试阶段带来的影响显得尤其严重。目前很多高端的电机性能测试设备和环境试验设备都还依赖进口。所以需要加大力度开展这方面的研发工作。

    现代电机技术是多学科交叉的综合技术，其生产也牵涉到很多方面。因此，除了上述关键技术尚需解决外，还有其他一些问题在实际研究和生产过程中反映出来。只有不断提高我国在电机领域的各项关键技术，才能发展电机产业，创造良好的经济和社会效益。