電機傳動系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢研究

丁文龍 畢家偉

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

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

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

一、電機技術(shù)的特點

電機與內(nèi)燃機以及汽輪機進(jìn)行比較，具有如下技術(shù)優(yōu)勢：（1）電機功率領(lǐng)域較廣，能夠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）電機可運用在很多種的外部環(huán)境中，例如真空、水和極端環(huán)境;同時電機不具備排放問題，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，空載或待機模式下消耗不多。（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）電機能夠被設(shè)計成多種復(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）電機通過電驅(qū)動，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、電機系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展

盡管電機具備上述優(yōu)點，但電機在使用過程中的能量損耗還是十分巨大的。我國的電機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。近年來為呼應(yīng)節(jié)能減排的大方向，電機系統(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，更能在電動汽車領(lǐng)域為提升汽車?yán)m(xù)航能力提供更多的可能性。

三、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)濟因素，如初始投資、運行成本等，還包括非經(jīng)濟原因，如環(huán)保、倫理和法規(guī)?，F(xiàn)在，考慮到工程應(yīng)承擔(dān)的社會責(zé)任，非經(jīng)濟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，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[3]。

四、電機傳動系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢

以往，因為轉(zhuǎn)矩與速度控制的方便性，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)動的異步電機與同步交流電機驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)被大量運用。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。最初的直流電機與交流電機都是通過單獨的勵磁繞組中得到磁通的。不同的是，直流電機與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。隨著生產(chǎn)技術(shù)的革新，電機及其控制系統(tǒng)價格的下降，電機在機械裝置中使用率越來越高，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，能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜精密的協(xié)作運動。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?，F(xiàn)在，智能控制技術(shù)被大量運用，在無人工干預(yù)的前提下，智能控制系統(tǒng)可以控制電機在充分優(yōu)化的環(huán)境條件下運行。在最開始的時候，運用自動控制的電機驅(qū)動系統(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)已經(jīng)大量運用在全新的運動控制系統(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)用的二次動力機，針對電機開展的技術(shù)研究其重要性自然不言而喻。考慮到相比于內(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。

參考文獻(xiàn)：

[1]鞠錦勇，李威，范孟豹，王禹橋，楊雪鋒.永磁電機驅(qū)動的刮板輸送機主傳動系統(tǒng)機電耦合扭振動態(tài)分岔研究[J].振動與沖擊，2018，37（23）：52-60.

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

[3]劉成強，徐海港，柴本本，陳林用.純電動汽車傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動特性分析[J].機械設(shè)計與制造，2018（12）：223-226.

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

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