現(xiàn)代電機發(fā)展方向與關鍵技術
沈建新，方宗喜
(浙江大學，浙江杭州310027)
摘要：現(xiàn)代電機往往不再是零件級的執(zhí)行器，而是具有特定功能的完整機電一體化系統(tǒng)。介紹現(xiàn)代電機的主要發(fā)展方向，以及有待進一步發(fā)展的若干關鍵技術。
關鍵詞：現(xiàn)代電機；發(fā)展；關鍵技術
中圖分類號：TM30 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)06—0055—03
0引 言
現(xiàn)代電機既可以用來提供功率(提供動力)，也可以用來提供控制(如轉速、轉角、位置等控制)，或者兩者兼而有之�，F(xiàn)代電機不僅僅是一種零件級的產品，而是已經上升到了系統(tǒng)級的層面。這不僅對現(xiàn)代電機的設計、生產提出了更高的要求，同時也提供了更廣闊的產品應用空間、經濟利潤空間和行業(yè)發(fā)展空間。
本文介紹現(xiàn)代電機的若干發(fā)展方向和需要進一步發(fā)展的關鍵技術。
1發(fā)展方向
電機種類很多，應用背景與要求各不相同，這就決定了現(xiàn)代電機發(fā)展的多樣性。主要的發(fā)展方向可以概括為以下幾個方面：
(1)無刷化
在很多應用場合電源都是直流的，因此傳統(tǒng)的有刷直流電動機的使用非常廣泛。但是有刷電動機有很多缺點，如換向火花大、電磁干擾嚴重、壽命短等等。所以目前正逐漸被無刷電動機所替代。無刷電動機的種類很多，雖然最常用的是指永磁無刷直流電動機，但是其他的只要不帶電刷換向裝置的電動機，像永磁同步電動機、步進電動機、開關磁阻電動機等，都可以算作無刷電動機。這些無刷化的電動機都可克服傳統(tǒng)有刷直流電動機的缺點。
(2)直驅化
電機通常是運行在每分鐘數(shù)百至數(shù)千轉的速度，但是很多應用場合需要很低或很高的轉速，這樣就需要一套轉速變換機構。還有些應用場合要求線性運動或其他的運動方式，就需要一套變換運動方式的機構。這些機構不僅增加系統(tǒng)體積、降低可靠性，還降低系統(tǒng)效率和控制精度。所以，直接驅動是現(xiàn)代電機驅動的一個重要研究方向，高速電機、低速大轉矩電機、直線電機等特種電機也就應運而生。
(3)極速化
這是與直驅化相關聯(lián)的。為了實現(xiàn)直接驅動、提高運行精度，就經常會需要一些速度極高或極低的電機。這對電機本體設計及控制方法都提出了很高的要求，也是現(xiàn)代電機與驅動領域的重要發(fā)展方向之一。各種新型的電機(包括非電磁式的運動機械，如超聲波電動機)也就不斷被開發(fā)出來并得到習漸廣泛的應用。
(4)調速化
傳統(tǒng)的電機驅動系統(tǒng)中，電機往往是工作在開、關方式的。頻繁的開關對電機、控制器和電網(wǎng)(電源)都帶來很大的沖擊，降低其可靠性。而且，被控對象(即電機的負載)的性能也會受到影響，例如，傳統(tǒng)開關方式的空調的舒適度比采用變頻調速方式的空調要差得多。因此，現(xiàn)代電機經常采用調速運行的方式，既可克服上述的缺點，還可以提高整個系統(tǒng)效率與性能。
(5)小型、微型化
很多產品往往對電機的體積提出了很高的要求。為了達到小型、微型化的目的，一方面需要不斷使用新型的高性能材料與電子元器件，提高電機的功率密度，另一方面還要不斷研究新型的電機拓撲結構和運行原理。
(6)伺服化
現(xiàn)代電機及驅動裝置不僅僅是為了提供動力，還要實現(xiàn)各種控制，如轉速跟蹤、位置控制等等。因此要對電機進行伺服控制。這需要從電機本體、電力電子驅動器、傳感器及控制技術等多個方面來實現(xiàn)。
(7)機電一體化
現(xiàn)代電機已經不僅僅局限于傳統(tǒng)電機的范疇，它涵蓋了電機本體、計算機與電子控制器、功率變換器、傳感器和控制技術等多個方面，而且在電機的設計、制造時，還往往要與后級的執(zhí)行機構和負載(如各種機械、液壓、氣動裝置)整合起來。這樣，現(xiàn)代電機往往已不是一個零件級的執(zhí)行器，而是一個可以實現(xiàn)預定功能的完整的機電一體化系統(tǒng)。
(8)智能化
如前所述，現(xiàn)代電機不僅僅是簡單地提供動力，還要提供高精度的復雜的運動控制，還要具備自適應、自學習、自保護等功能。這些功能的實現(xiàn)，都離不開智能化。而智能化的實現(xiàn)，又離不開現(xiàn)代控制理論、傳感器技術、電子技術和新型材料。
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