丁文龍 畢家偉

摘要：此文簡(jiǎn)單介紹了電機(jī)技術(shù)的主要特點(diǎn)，詳細(xì)分析了電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)，并研究電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，希望能夠給未來的相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：電機(jī);傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù);發(fā)展趨勢(shì)

把電機(jī)作為基礎(chǔ)的電動(dòng)機(jī)械能是目前工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。近年來，雖然是在以內(nèi)燃機(jī)為常見動(dòng)力裝置的交通運(yùn)輸范圍，電機(jī)也逐漸被當(dāng)作牽引的常見動(dòng)力運(yùn)用在電動(dòng)汽車與軌道車輛以及采用電力推進(jìn)的船舶中。對(duì)此，此文簡(jiǎn)單介紹了電機(jī)技術(shù)的主要特點(diǎn)，詳細(xì)分析了電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)，并研究電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，希望能夠給未來的相關(guān)研究提供參考。

一、電機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)

電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)以及汽輪機(jī)進(jìn)行比較，具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）電機(jī)功率領(lǐng)域較廣，能夠從毫瓦級(jí)別到百萬瓦級(jí)別。（2）電機(jī)的轉(zhuǎn)矩有著寬廣的運(yùn)行范圍。（3）電機(jī)可運(yùn)用在很多種的外部環(huán)境中，例如真空、水和極端環(huán)境;同時(shí)電機(jī)不具備排放問題，其振動(dòng)和噪聲均較小，有著較好的環(huán)保性能。（4）電機(jī)的響應(yīng)速度可達(dá)內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)的10倍以上。（5）電機(jī)運(yùn)行效率較高，空載或待機(jī)模式下消耗不多。（6）電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可輕易調(diào)節(jié)。（7）電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小可以輕易地調(diào)節(jié)，并且不受整機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的影響。（8）電機(jī)能夠被設(shè)計(jì)成多種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，其可被安置在全部可以使用的地方。（9）電機(jī)通過電驅(qū)動(dòng)，其控制系統(tǒng)能夠極易地與現(xiàn)代信息處理設(shè)備相兼容[1]。

二、電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展

盡管電機(jī)具備上述優(yōu)點(diǎn)，但電機(jī)在使用過程中的能量損耗還是十分巨大的。我國的電機(jī)多以普通效率及高效率為主，而美國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)推行超高效率電機(jī)。近年來為呼應(yīng)節(jié)能減排的大方向，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的開發(fā)日益重要。節(jié)能技術(shù)的發(fā)展不僅能節(jié)約能耗，節(jié)省成本，更能在電動(dòng)汽車領(lǐng)域?yàn)樘嵘嚴(yán)m(xù)航能力提供更多的可能性。

三、電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)

一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常包括機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)、功率變換器和控制系統(tǒng)等等。對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，除了電機(jī)本身外，還有其他幾個(gè)方面需要考慮。如同一般的工程設(shè)計(jì)，獲得同樣性能的傳動(dòng)系統(tǒng)可以通過多種方式來實(shí)現(xiàn)。評(píng)價(jià)是否為最佳設(shè)計(jì)的最終標(biāo)準(zhǔn)不只是經(jīng)濟(jì)因素，如初始投資、運(yùn)行成本等，還包括非經(jīng)濟(jì)原因，如環(huán)保、倫理和法規(guī)?，F(xiàn)在，考慮到工程應(yīng)承擔(dān)的社會(huì)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(jī)的外形可謂紛繁多樣，而且可以根據(jù)電機(jī)的具體用途將其設(shè)計(jì)成合適的外形。根據(jù)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向可以把電機(jī)分成旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)。對(duì)于典型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，如果輸出功率變大，尺寸尤其是轉(zhuǎn)子半徑也會(huì)變大，因此會(huì)具有較大的離心力，由于轉(zhuǎn)子材料的屈服強(qiáng)度有限，高速大功率電機(jī)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(jī)已開始被應(yīng)用在一些特殊領(lǐng)域，如壓縮機(jī)、飛輪儲(chǔ)能裝置等方面，并且永磁同步電機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速在未來會(huì)得到進(jìn)一步提升[3]。

四、電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

以往，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩與速度控制的方便性，直流電機(jī)在變速驅(qū)動(dòng)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(dòng)的異步電機(jī)與同步交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)被大量運(yùn)用。逆變器能取代直流電機(jī)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(jī)的一大弊端。這種從直流電機(jī)逐步向交流電機(jī)調(diào)整的趨勢(shì)將會(huì)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(chǎng)定向控制這樣的先進(jìn)交流電機(jī)控制理論的提出。最初的直流電機(jī)與交流電機(jī)都是通過單獨(dú)的勵(lì)磁繞組中得到磁通的。不同的是，直流電機(jī)與同步電機(jī)的磁通都來自勵(lì)磁繞組的電流，而異步電機(jī)的磁通通過定子電流產(chǎn)生[4]。但隨著高性能、高可靠性永磁體的應(yīng)用，即使是兆瓦級(jí)電機(jī)的磁通都來自永磁體的剩磁。用永磁體替換獨(dú)立的勵(lì)磁繞組后，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和能量密度都得到了提高;同時(shí)，通過消除勵(lì)磁繞組銅耗可顯著提升電機(jī)的運(yùn)行效率。這種由額外的勵(lì)磁繞組提供磁通轉(zhuǎn)向由永磁體勵(lì)磁的趨勢(shì)將會(huì)繼續(xù)。因此，未來永磁交流電機(jī)的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。隨著生產(chǎn)技術(shù)的革新，電機(jī)及其控制系統(tǒng)價(jià)格的下降，電機(jī)在機(jī)械裝置中使用率越來越高，這些機(jī)械裝置有不同的運(yùn)動(dòng)形式，在機(jī)械裝置每個(gè)運(yùn)行點(diǎn)上的電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率被直接利用或轉(zhuǎn)換為需要的形式，能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜精密的協(xié)作運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)部件所需要的動(dòng)作可不經(jīng)過額外的速度或轉(zhuǎn)矩調(diào)整而直接由電機(jī)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。將來該類趨勢(shì)將會(huì)持續(xù)下去，這種特制的電機(jī)將會(huì)運(yùn)用到各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件。現(xiàn)在，智能控制技術(shù)被大量運(yùn)用，在無人工干預(yù)的前提下，智能控制系統(tǒng)可以控制電機(jī)在充分優(yōu)化的環(huán)境條件下運(yùn)行。在最開始的時(shí)候，運(yùn)用自動(dòng)控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只存在比較便捷的監(jiān)控作用，此種控制單元把用戶設(shè)置好的操作命令傳達(dá)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。近年來，直接數(shù)字控制、分布式智能控制技術(shù)已經(jīng)大量運(yùn)用在全新的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中[5]。

五、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(dòng)力機(jī)，針對(duì)電機(jī)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(jī)及汽輪機(jī)等傳統(tǒng)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及人工智能、自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用必將日益廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1]鞠錦勇，李威，范孟豹，王禹橋，楊雪鋒.永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刮板輸送機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合扭振動(dòng)態(tài)分岔研究[J].振動(dòng)與沖擊，2018，37（23）：52-60.

[2]陶小松，王鵬，陳樂.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與性能仿真[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，26（04）：7-14.

[3]劉成強(qiáng)，徐海港，柴本本，陳林用.純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018（12）：223-226.

[4]荀博深，耿龍偉，楊驍，趙振秀.混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（15）：9-12.

[5]韋偉.電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的研究[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（06）：150.