电机传动系统技术发展趋势研究

摘要：介绍了电机相比内燃机及汽轮机的技术优势，同时简要阐述了其技术发展史，并重点对电机传动系统未来技术发展趋势进行了研究。电机作为一类性能优越的二次动力机，其在工业建设及国防军事领域的应用必将日渐广泛。

关键词：电机;传动系统;控制系统;内燃机;汽轮机

0    引言

人类文明的发展取决于能源的种类和形式。工业革命始于18世纪蒸汽机的发明，而19世纪内燃机的发明使得工业生产的效率大幅提高。在19世纪电机被发明之后，电机产生的机械能成为有史以来最重要的能源形式之一。以电机为基础的电动机械能是当今工业社会的基础。近年来，即使是在以内燃机为主要动力装置的交通运输领域，电机也逐渐被作为牵引的主要动力应用于电动汽车、轨道车辆以及采用电力推进的船舶中[1-5]。

1    电机的技术优势

电机相比内燃机和汽轮机，具有如下技术优势[6-7]：（1）电机功率范围较广，可以从毫瓦级别到百万瓦级别。（2）电机的转矩有着宽广的运行范围。（3）电机可适应各种外部环境，例如真空、水和极端环境;同时电机不存在排放问题，其振动和噪声均较小，有着较好的环保性能。（4）电机的响应速度可达内燃机和汽轮机的10倍以上。（5）电机运行效率较高，空载或待机模式下损耗更小。（6）电机的旋转方向可轻易调节。（7）电机输出转矩的大小可以轻易地调节，并且不受整机旋转方向的影响。（8）电机可以被设计成多种复杂的结构形式，其可被安置在任何需要的地方。（9）电机由电驱动，其控制系统可以很容易地和现代信息处理设备相兼容。

2    电机系统的技术发展

随着电力电子技术、电磁技术、绝缘技术以及信息技术的发展，相比于内燃机和汽轮机等传统热力发动机，电机的上述优势已进一步得到强化。尤其是近几年，随着稀土磁材料，例如钕铁硼等铁磁材料的发展，电机的转矩已经可与液压系统相媲美。基于液压的运动控制系统将逐渐被电机所取代。随着电力电子技术的发展，可以很方便地使用信息处理系统直接控制电机驱动系统，而且驱动系统可以实现自动化且不需要配备额外的硬件设施。尽管电机具备上述优点，但由于其需要持续的电能供给方可实现运转，因此限制了其在移动设备动力系统中的应用。近年来，为呼应节能减排的大方向，对电动汽车的关注度与日俱增。作为能量储存装置，由于动力电池的性能有限，纯电动汽车的推广普及仍需假以时日。在这一背景下，从内燃机获得部分或全部能量来驱动电机的混合动力汽车技术已经比较成熟，并已进入实用阶段。

3    电机及传动系统

一个电机驱动系统通常包括机械驱动系统、电机、功率变换器和控制系统等等。对于传动系统的设计，除了电机本身外，还有其他几个方面需要考虑。如同一般的工程设计，获得同样性能的传动系统可以通过多种方式来实现。评价是否为最佳设计的最终标准不只是经济因素，如初始投资、运行成本等，还包括非经济原因，如环保、伦理和法规。现在，考虑到工程应承担的社会责任，非经济原因正变得十分重要。经过100年的发展，电机的外形可谓纷繁多样，而且可以根据电机的具体用途将其设计成合适的外形。根据转子的运动方向可以把电机分成旋转电机和直线电机。对于典型的旋转电机，如果输出功率变大，尺寸尤其是转子半径也会变大，因此会具有较大的离心力，由于转子材料的屈服强度有限，高速大功率电机的制造较为困难。近期，随着CAD技术和材料技术尤其是永磁材料的发展，高速大功率电机已开始被应用在一些特殊领域，如压缩机、飞轮储能装置等方面[8]，并且永磁同步电机的输出功率和转速在未来会得到进一步提升[9]。

4    电机传动系统的技术发展趋势

过去，由于转矩和速度控制的便利性，直流电机在变速驱动系统（ASD）中得到了广泛应用。然而随着电力电子技术的发展，像由变压变频（VVVF）逆变器驱动的异步电机和同步交流电机驱动系统已得到了广泛应用。逆变器能取代直流电机中的换向器和电刷，而换向器和电刷由于需要定期维护一直是直流电机的一大弊端。这种从直流电机逐步向交流电机调整的趋势将会持续下去，这不仅仅是由于前面提到的电力电子技术的发展，还由于像磁场定向控制这样的先进交流电机控制理论的提出。早期的直流电机和交流电机都是从独立的励磁绕组中获得磁通的。不同的是，直流电机和同步电机的磁通都来自励磁绕组的电流，而异步电机的磁通由定子电流产生。但随着高性能、高可靠性永磁体的应用，即使是兆瓦级电机的磁通都来自永磁体的剩磁。用永磁体替换独立的励磁绕组后，电机的转矩和能量密度都得到了提高;同时，通过消除励磁绕组铜耗可显著提升电机的运行效率。这种由额外的励磁绕组提供磁通转向由永磁体励磁的趋势将会继续。因此，未来永磁交流电机的应用会更加广泛。20世纪初期，由于电机和电机控制系统成本均较为昂贵，整个工厂只采用一台大电机，该电机输出的机械能量通过齿轮和传送带被分送给每一个需要运作的机械装置。随着电机及其控制系统价格的下降，每个机械装置均配置有其独立的电机，这些机械装置有不同的运动形式，在机械装置每个运行点上的电机产生的机械功率被直接利用或转换为需要的形式。近年来，即使是單一的机械设备，每个运动部件都配装有多个电机。运动部件所需要的动作可不经过额外的速度或转矩调整而直接由电机提供，以此提高系统的总效率。

此外，通过消除非线性因素的影响和能量损耗，例如扭转振荡和摩擦等因素，可提高运动控制系统的性能。将来该类趋势将会持续下去，这种特制的电机将会运用到各个运动部件。例如，对于高速操作，不通过齿轮提速而直接使用高速电机就可以提供动力来源。对于直线运动，不用滚珠螺杆等机械装置而直接使用直线电机就可投入运作。对于大转矩、低转速的牵引系统，直接使用电机驱动可以减少系统的体积和损耗。电机驱动系统的控制方法已经由人工操作发展为自动控制系统。现在，智能控制技术已经投入使用，在无人介入的情况下，智能控制系统可以控制电机在充分优化的环境条件下运行。在初期，使用自动控制的电机驱动系统只有一些简单的监控功能，这种控制单元将用户设置好的操作命令传达给电机驱动系统。近年来，直接数字控制、分布式智能控制技术已被广泛应用于全新的运动控制系统中。

5    结语

作为一类在国民生产及国防工业领域得以广泛应用的二次动力机，针对电机开展的技术研究其重要性自然不言而喻。考虑到相比于内燃机及汽轮机等传统热力发动机的技术优势，以及人工智能、自动控制等先进技术领域的不断发展，电机的应用必将日益广泛。

[参考文献]

[1] 伍赛特.燃气轮机应用于车用动力装置的可行性分析研究[J].交通节能与环保，2019，15（1）：13-15.

[2] 伍赛特.铝空气电池应用于汽车动力装置的技术现状及前景展望[J].小型内燃机与车辆技术，2019，48（1）：78-80.

[3] 伍赛特.蓄电池电动船舶的应用前景展望[J].机电技术，2018（5）：117-120.

[4] 伍赛特.燃料电池应用于航空推进领域的前景展望[J].能源研究与管理，2018（4）：89-91.

[5] 唐伟.基于参数自适应新型滑模观测器的PMSM无位置传感器控制技术研究[D].西安：西安理工大学，2019.

[6] 伍赛特.内燃机与燃气轮机的启动过程及影响因素研究[J].内燃机与配件，2018（15）：52-54.

[7] 伍赛特.汽轮机技术研究现状及发展趋势[J].能源研究与管理，2019（4）：7-13.

[8] 伍赛特.飞轮电池应用于汽车动力装置的技术现状与前景展望[J].汽车零部件，2018（11）：91-93.

[9] SUL S K.电机传动系统控制[M].张永昌，李正熙，译.北京：机械工业出版社，2013.

收稿日期：2020-01-17

作者简介：伍赛特（1990—），男，湖南邵阳人，工学硕士，助理工程师，研究方向：内燃机与动力装置。