摘要：介紹了電機相比內(nèi)燃機及汽輪機的技術(shù)優(yōu)勢，同時簡要闡述了其技術(shù)發(fā)展史，并重點對電機傳動系統(tǒng)未來技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究。電機作為一類性能優(yōu)越的二次動力機，其在工業(yè)建設(shè)及國防軍事領(lǐng)域的應(yīng)用必將日漸廣泛。

關(guān)鍵詞：電機;傳動系統(tǒng);控制系統(tǒng);內(nèi)燃機;汽輪機

0? ? 引言

人類文明的發(fā)展取決于能源的種類和形式。工業(yè)革命始于18世紀(jì)蒸汽機的發(fā)明，而19世紀(jì)內(nèi)燃機的發(fā)明使得工業(yè)生產(chǎn)的效率大幅提高。在19世紀(jì)電機被發(fā)明之后，電機產(chǎn)生的機械能成為有史以來最重要的能源形式之一。以電機為基礎(chǔ)的電動機械能是當(dāng)今工業(yè)社會的基礎(chǔ)。近年來，即使是在以內(nèi)燃機為主要動力裝置的交通運輸領(lǐng)域，電機也逐漸被作為牽引的主要動力應(yīng)用于電動汽車、軌道車輛以及采用電力推進(jìn)的船舶中[1-5]。

1? ? 電機的技術(shù)優(yōu)勢

電機相比內(nèi)燃機和汽輪機，具有如下技術(shù)優(yōu)勢[6-7]：（1）電機功率范圍較廣，可以從毫瓦級別到百萬瓦級別。（2）電機的轉(zhuǎn)矩有著寬廣的運行范圍。（3）電機可適應(yīng)各種外部環(huán)境，例如真空、水和極端環(huán)境;同時電機不存在排放問題，其振動和噪聲均較小，有著較好的環(huán)保性能。（4）電機的響應(yīng)速度可達(dá)內(nèi)燃機和汽輪機的10倍以上。（5）電機運行效率較高，空載或待機模式下?lián)p耗更小。（6）電機的旋轉(zhuǎn)方向可輕易調(diào)節(jié)。（7）電機輸出轉(zhuǎn)矩的大小可以輕易地調(diào)節(jié)，并且不受整機旋轉(zhuǎn)方向的影響。（8）電機可以被設(shè)計成多種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，其可被安置在任何需要的地方。（9）電機由電驅(qū)動，其控制系統(tǒng)可以很容易地和現(xiàn)代信息處理設(shè)備相兼容。

2? ? 電機系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展

隨著電力電子技術(shù)、電磁技術(shù)、絕緣技術(shù)以及信息技術(shù)的發(fā)展，相比于內(nèi)燃機和汽輪機等傳統(tǒng)熱力發(fā)動機，電機的上述優(yōu)勢已進(jìn)一步得到強化。尤其是近幾年，隨著稀土磁材料，例如釹鐵硼等鐵磁材料的發(fā)展，電機的轉(zhuǎn)矩已經(jīng)可與液壓系統(tǒng)相媲美?；谝簤旱倪\動控制系統(tǒng)將逐漸被電機所取代。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，可以很方便地使用信息處理系統(tǒng)直接控制電機驅(qū)動系統(tǒng)，而且驅(qū)動系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動化且不需要配備額外的硬件設(shè)施。盡管電機具備上述優(yōu)點，但由于其需要持續(xù)的電能供給方可實現(xiàn)運轉(zhuǎn)，因此限制了其在移動設(shè)備動力系統(tǒng)中的應(yīng)用。近年來，為呼應(yīng)節(jié)能減排的大方向，對電動汽車的關(guān)注度與日俱增。作為能量儲存裝置，由于動力電池的性能有限，純電動汽車的推廣普及仍需假以時日。在這一背景下，從內(nèi)燃機獲得部分或全部能量來驅(qū)動電機的混合動力汽車技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并已進(jìn)入實用階段。

3? ? 電機及傳動系統(tǒng)

一個電機驅(qū)動系統(tǒng)通常包括機械驅(qū)動系統(tǒng)、電機、功率變換器和控制系統(tǒng)等等。對于傳動系統(tǒng)的設(shè)計，除了電機本身外，還有其他幾個方面需要考慮。如同一般的工程設(shè)計，獲得同樣性能的傳動系統(tǒng)可以通過多種方式來實現(xiàn)。評價是否為最佳設(shè)計的最終標(biāo)準(zhǔn)不只是經(jīng)濟(jì)因素，如初始投資、運行成本等，還包括非經(jīng)濟(jì)原因，如環(huán)保、倫理和法規(guī)。現(xiàn)在，考慮到工程應(yīng)承擔(dān)的社會責(zé)任，非經(jīng)濟(jì)原因正變得十分重要。經(jīng)過100年的發(fā)展，電機的外形可謂紛繁多樣，而且可以根據(jù)電機的具體用途將其設(shè)計成合適的外形。根據(jù)轉(zhuǎn)子的運動方向可以把電機分成旋轉(zhuǎn)電機和直線電機。對于典型的旋轉(zhuǎn)電機，如果輸出功率變大，尺寸尤其是轉(zhuǎn)子半徑也會變大，因此會具有較大的離心力，由于轉(zhuǎn)子材料的屈服強度有限，高速大功率電機的制造較為困難。近期，隨著CAD技術(shù)和材料技術(shù)尤其是永磁材料的發(fā)展，高速大功率電機已開始被應(yīng)用在一些特殊領(lǐng)域，如壓縮機、飛輪儲能裝置等方面[8]，并且永磁同步電機的輸出功率和轉(zhuǎn)速在未來會得到進(jìn)一步提升[9]。

4? ? 電機傳動系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢

過去，由于轉(zhuǎn)矩和速度控制的便利性，直流電機在變速驅(qū)動系統(tǒng)（ASD）中得到了廣泛應(yīng)用。然而隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，像由變壓變頻（VVVF）逆變器驅(qū)動的異步電機和同步交流電機驅(qū)動系統(tǒng)已得到了廣泛應(yīng)用。逆變器能取代直流電機中的換向器和電刷，而換向器和電刷由于需要定期維護(hù)一直是直流電機的一大弊端。這種從直流電機逐步向交流電機調(diào)整的趨勢將會持續(xù)下去，這不僅僅是由于前面提到的電力電子技術(shù)的發(fā)展，還由于像磁場定向控制這樣的先進(jìn)交流電機控制理論的提出。早期的直流電機和交流電機都是從獨立的勵磁繞組中獲得磁通的。不同的是，直流電機和同步電機的磁通都來自勵磁繞組的電流，而異步電機的磁通由定子電流產(chǎn)生。但隨著高性能、高可靠性永磁體的應(yīng)用，即使是兆瓦級電機的磁通都來自永磁體的剩磁。用永磁體替換獨立的勵磁繞組后，電機的轉(zhuǎn)矩和能量密度都得到了提高;同時，通過消除勵磁繞組銅耗可顯著提升電機的運行效率。這種由額外的勵磁繞組提供磁通轉(zhuǎn)向由永磁體勵磁的趨勢將會繼續(xù)。因此，未來永磁交流電機的應(yīng)用會更加廣泛。20世紀(jì)初期，由于電機和電機控制系統(tǒng)成本均較為昂貴，整個工廠只采用一臺大電機，該電機輸出的機械能量通過齒輪和傳送帶被分送給每一個需要運作的機械裝置。隨著電機及其控制系統(tǒng)價格的下降，每個機械裝置均配置有其獨立的電機，這些機械裝置有不同的運動形式，在機械裝置每個運行點上的電機產(chǎn)生的機械功率被直接利用或轉(zhuǎn)換為需要的形式。近年來，即使是單一的機械設(shè)備，每個運動部件都配裝有多個電機。運動部件所需要的動作可不經(jīng)過額外的速度或轉(zhuǎn)矩調(diào)整而直接由電機提供，以此提高系統(tǒng)的總效率。

此外，通過消除非線性因素的影響和能量損耗，例如扭轉(zhuǎn)振蕩和摩擦等因素，可提高運動控制系統(tǒng)的性能。將來該類趨勢將會持續(xù)下去，這種特制的電機將會運用到各個運動部件。例如，對于高速操作，不通過齒輪提速而直接使用高速電機就可以提供動力來源。對于直線運動，不用滾珠螺桿等機械裝置而直接使用直線電機就可投入運作。對于大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的牽引系統(tǒng)，直接使用電機驅(qū)動可以減少系統(tǒng)的體積和損耗。電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法已經(jīng)由人工操作發(fā)展為自動控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在，智能控制技術(shù)已經(jīng)投入使用，在無人介入的情況下，智能控制系統(tǒng)可以控制電機在充分優(yōu)化的環(huán)境條件下運行。在初期，使用自動控制的電機驅(qū)動系統(tǒng)只有一些簡單的監(jiān)控功能，這種控制單元將用戶設(shè)置好的操作命令傳達(dá)給電機驅(qū)動系統(tǒng)。近年來，直接數(shù)字控制、分布式智能控制技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于全新的運動控制系統(tǒng)中。

5? ? 結(jié)語

作為一類在國民生產(chǎn)及國防工業(yè)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用的二次動力機，針對電機開展的技術(shù)研究其重要性自然不言而喻?？紤]到相比于內(nèi)燃機及汽輪機等傳統(tǒng)熱力發(fā)動機的技術(shù)優(yōu)勢，以及人工智能、自動控制等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，電機的應(yīng)用必將日益廣泛。

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[9] SUL S K.電機傳動系統(tǒng)控制[M].張永昌，李正熙，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

收稿日期：2020-01-17

作者簡介：伍賽特（1990—），男，湖南邵陽人，工學(xué)碩士，助理工程師，研究方向：內(nèi)燃機與動力裝置。