對電機設(shè)計存在的問題及未來發(fā)展趨勢的探討

歐陽山 趙誠 郭耀東

摘要：電機的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)是電氣工程領(lǐng)域中一個長盛不衰的研究熱點。所謂電機優(yōu)化設(shè)計，是指在滿足國家標準、用戶要求以及特定約束的條件下，使電機效率、體積、功率、重量等設(shè)計性能指標達到最優(yōu)的一種設(shè)計技術(shù)。本文結(jié)合我國目前電機設(shè)計的實際情況，簡單介紹電機設(shè)計存在的問題和未來發(fā)展趨勢，以供參考。

關(guān)鍵詞：電機設(shè)計 ；問題；發(fā)展趨勢

引言：電機設(shè)計工作是一項系統(tǒng)性工程.是指在滿足國家和行業(yè)標準的前提下，以用戶的需要為中心.進行電機的體積、功能、功率、效率和重量的一系列參數(shù)的設(shè)計，使其達到最優(yōu)的一項重要的工作。通常電機設(shè)計具有混合性、約束性和非線性的特點，是科技水平和生產(chǎn)力發(fā)展的一項重要的標志。當前電機設(shè)計集中在變量的優(yōu)化項目上，目的在于建立對于電機需要和相關(guān)標準的目標函數(shù)模型，在列出相關(guān)約束條件的基礎(chǔ)上，通過尋優(yōu)策略形成最優(yōu)的設(shè)計方案，進而以相應(yīng)的算法和優(yōu)化程序計算得出優(yōu)化的結(jié)果，以此來滿足各方面的要求和需要。當前電機設(shè)計還應(yīng)該考慮到所用算法的穩(wěn)定性，要堅持電機設(shè)計算法的通用性和收斂性這樣才能夠在確保計算效率的同時，實現(xiàn)電機設(shè)計的合理和科學(xué)性。新時期電機設(shè)計已經(jīng)引起了行業(yè)的廠泛關(guān)注，每年電機設(shè)計領(lǐng)域都有重大的突破，對于電機設(shè)計的爭論和研討正趨于逐步活躍.在這樣百家爭鳴的環(huán)境中.就更應(yīng)該抓住電機設(shè)計的核心.通過對中心問題的突出和強化提高電機設(shè)計的水平，縮辣我國電機設(shè)計水平與發(fā)達國家的差距，為電機設(shè)計工作適應(yīng)電力工作的發(fā)展，實現(xiàn)對社會總體工作的完善起到進一步的推動作用。

1 變頻電壓運行時對電機工作的影響

在電機調(diào)速控制系統(tǒng)中，變頻電壓器作為供電電源，對整個供電系統(tǒng)中的電壓有著高層次和諧波的分量，對電壓外表體現(xiàn)出非正弦性。這些損耗都會使電機效率和功率因數(shù)降低。而在大部分變成熱能后，就會引起電機發(fā)熱，從而導(dǎo)致變頻電機的溫度增加。對于電壓型變頻器的輸出波形應(yīng)對應(yīng)變頻電機的影響依次是：高次諧波、大數(shù)值、高 / 低頻軸電流。對于變頻電機的設(shè)計過程中應(yīng)合理采取、避免、減小應(yīng)用變頻器所帶來的影響，應(yīng)以最佳的經(jīng)濟技術(shù)效果來使電機系統(tǒng)更加完善。

2 雙極步進電機驅(qū)動及控制器

半導(dǎo)體開發(fā)出的高效驅(qū)動電機設(shè)備，繼承了非傳感控制檢測功能，這款電機設(shè)備的設(shè)計過程，應(yīng)以可靠性和減少元件數(shù)量、板上空間為主，這樣做的意義在于降低產(chǎn)品成本。非傳感控制檢測功能的設(shè)計，主要是針對多軸定位系統(tǒng)和遠程系統(tǒng)進行設(shè)計，這種循環(huán)操作主要是完成定位校準和半封閉的精確定位。這是半導(dǎo)體步進電機未來雙極步進電機驅(qū)動的一個發(fā)展趨勢，可用于拍攝上下擺動的全景，也可作為相機放膠倍數(shù)的作用。微控制器的總線，可以驅(qū)動 3 個電機，更能夠支持結(jié)構(gòu)緊湊的攝像機，這樣能夠有效降低成本，提高工作的準確性。這一系列的器件，主要能夠針對具有運動控制功能的攝像機進行場內(nèi)攝像，并能夠使用該功能進行場內(nèi)預(yù)編程，減少了工程師的編程工作。如果使用器件內(nèi)的閃存版本，更能夠在開發(fā)測試應(yīng)用軟件后進行再編程，加快器件設(shè)計更新的速度。

3 步進電機的精確動態(tài)控制

近些年來，伴隨著步進電機被越來越廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)之中，電機設(shè)計人員對步進電機的精確度定位亦提出了更高的要求，尤其是步進電機因其高能效、高性能、較小的體積等諸多特性，使其也被逐漸應(yīng)用于紡織機、機械人、計算機數(shù)控銑雕機等設(shè)備。

該系列的 IC，其內(nèi)置 2 個 H 橋，可以將雙相步進電機驅(qū)動以最大 1600MA 驅(qū)動。而速度與負載角的輸出方式，也使得主微控制器無須設(shè)置額外的開關(guān)、霍爾傳感器或者光學(xué)編碼器，就能夠直接檢測到轉(zhuǎn)子的實際運行以及結(jié)束狀況。除此之外，該功能還能夠使設(shè)計人員為微控制器編程，以轉(zhuǎn)子位置為主，按照實際要求調(diào)解電流與速度，以防止失步?？梢哉f其不僅完美地實現(xiàn)了微步進，消除了在終點停止時產(chǎn)生的噪聲與震動，還能夠在無須添加元器件的情況下，進一步提升運動控制的精確度與可靠性。

而在構(gòu)建加工、汽車、安全、建筑自動化等方面的應(yīng)用上，因為 ASSP 的嵌入，設(shè)計師已經(jīng)再也不用擔心運動算法中的動力學(xué)設(shè)計，只需要對電機的總體運動進行設(shè)計。相關(guān) IC 又能夠?qū)崿F(xiàn)無傳感器失速檢測，不僅進一步簡化了設(shè)計師的設(shè)計工作，也加快了設(shè)計產(chǎn)品的實際上市時間。這些新的微型步進電機驅(qū)動器，還可使設(shè)計人員用最少的元件和最低的材料成本，快速而簡便地完成動態(tài)運動應(yīng)用。

4電機設(shè)計的未來發(fā)展

無論從國內(nèi)的電機設(shè)計實際.還是從國外電機設(shè)計發(fā)展趨勢上看，我們都能得出一個相同的結(jié)論-現(xiàn)代技術(shù)和理論在電機設(shè)計中的應(yīng)用越來越深入、越來越廣泛，如何選擇好適于不同類型電機的設(shè)計方法成為電機設(shè)計的關(guān)鍵.也成為電機能否占據(jù)市場的主要依據(jù)和參考。新時期應(yīng)該對原有的電機設(shè)計進行技術(shù)上、測量上的改進和優(yōu)化，探索新式電機設(shè)計的途徑和方法。在電機設(shè)計的未來發(fā)展中，應(yīng)該更加汪重設(shè)計原理、材料結(jié)構(gòu)和加工工藝萬面的應(yīng)用.力爭在這些方面形成重大的改進和突破，形成對電機設(shè)計工作技術(shù)和基礎(chǔ)上雙方面的支持，在更為有效地掌握電機設(shè)計規(guī)律的同時，形成電機設(shè)計的逐步深化，確保電機設(shè)計收到良好的效果，從整體上推進電機設(shè)計工作的高效化目標實現(xiàn)，為電力事業(yè)發(fā)展做出基礎(chǔ)性、和技術(shù)性的探索和實踐工作。

4 結(jié)語

隨著我國科技水平的不斷進步，電機設(shè)計作為工業(yè)發(fā)展生產(chǎn)中的重要科技手段，日益成為大中型生產(chǎn)制造企業(yè)關(guān)注的問題。從世界電機發(fā)展的歷史來看，我國電機設(shè)計發(fā)展起步較晚，電機應(yīng)用領(lǐng)域最早的是在汽車和工業(yè)。隨著電機驅(qū)動產(chǎn)品的產(chǎn)生，電機市場的應(yīng)用面在不斷擴大。電機應(yīng)用在汽車領(lǐng)域是電氣化發(fā)展的一個標志，高能效的電機不但能夠替代傳統(tǒng)的引擎動力，還能夠代替皮帶和齒輪驅(qū)動，對傳統(tǒng)的電機方案是一個巨大的挑戰(zhàn)。電機的使用壽命周期就是能源成本，而采用更高效的電機，能夠大大節(jié)約成本。在電機設(shè)計過程中，提高高效的電機設(shè)計通常會遇到一些問題，如何根據(jù)未來電機市場的發(fā)展來解決這些問題，成為目前亟須解決的重點。

參考文獻：

1 劉二利.基于dsPIc的BLDCM無位置傳感器控制系統(tǒng)研究[D].大連：大連理工大學(xué)， 2007.

2 夏長亮.無刷直流電機控制系統(tǒng)[M ].北京：科學(xué)出版社， 2009.

3 張琛.直流無刷電動機原理及應(yīng)用[M]. 2版.北京：機械工業(yè)出版社， 2006.

4 林瀟潘，雙夏，胡曉杭.一種無位置傳感器BLDC零啟動的純硬件實現(xiàn)方法[ J].浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版， 2008， 42（9）：1591-1596.

5 孟濤，方凱.電動汽車上無傳感器BLDCM的起動控制[ J].電力電子技術(shù)， 2008， 42（1）： 32-34.

6 王凌.智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2001.

7 李鯤鵬，胡虔生.遺傳算法在電機優(yōu)化設(shè)計簡介[J].微特電機， 2001（4）： 32-33.