現(xiàn)代電機(jī)發(fā)展方向與關(guān)鍵技術(shù)
沈建新，方宗喜
(浙江大學(xué)，浙江杭州310027)
摘要：現(xiàn)代電機(jī)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(jī)電一體化系統(tǒng)。介紹現(xiàn)代電機(jī)的主要發(fā)展方向，以及有待進(jìn)一步發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)代電機(jī)；發(fā)展；關(guān)鍵技術(shù)
中圖分類號：TM30 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)06—0055—03
0引 言
現(xiàn)代電機(jī)既可以用來提供功率(提供動力)，也可以用來提供控制(如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、位置等控制)，或者兩者兼而有之。現(xiàn)代電機(jī)不僅僅是一種零件級的產(chǎn)品，而是已經(jīng)上升到了系統(tǒng)級的層面。這不僅對現(xiàn)代電機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提出了更高的要求，同時也提供了更廣闊的產(chǎn)品應(yīng)用空間、經(jīng)濟(jì)利潤空間和行業(yè)發(fā)展空間。
本文介紹現(xiàn)代電機(jī)的若干發(fā)展方向和需要進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
1發(fā)展方向
電機(jī)種類很多，應(yīng)用背景與要求各不相同，這就決定了現(xiàn)代電機(jī)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(yīng)用場合電源都是直流的，因此傳統(tǒng)的有刷直流電動機(jī)的使用非常廣泛。但是有刷電動機(jī)有很多缺點(diǎn)，如換向火花大、電磁干擾嚴(yán)重、壽命短等等。所以目前正逐漸被無刷電動機(jī)所替代。無刷電動機(jī)的種類很多，雖然最常用的是指永磁無刷直流電動機(jī)，但是其他的只要不帶電刷換向裝置的電動機(jī)，像永磁同步電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)等，都可以算作無刷電動機(jī)。這些無刷化的電動機(jī)都可克服傳統(tǒng)有刷直流電動機(jī)的缺點(diǎn)。
(2)直驅(qū)化
電機(jī)通常是運(yùn)行在每分鐘數(shù)百至數(shù)千轉(zhuǎn)的速度，但是很多應(yīng)用場合需要很低或很高的轉(zhuǎn)速，這樣就需要一套轉(zhuǎn)速變換機(jī)構(gòu)。還有些應(yīng)用場合要求線性運(yùn)動或其他的運(yùn)動方式，就需要一套變換運(yùn)動方式的機(jī)構(gòu)。這些機(jī)構(gòu)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(qū)動是現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動的一個重要研究方向，高速電機(jī)、低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)、直線電機(jī)等特種電機(jī)也就應(yīng)運(yùn)而生。
(3)極速化
這是與直驅(qū)化相關(guān)聯(lián)的。為了實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動、提高運(yùn)行精度，就經(jīng)常會需要一些速度極高或極低的電機(jī)。這對電機(jī)本體設(shè)計(jì)及控制方法都提出了很高的要求，也是現(xiàn)代電機(jī)與驅(qū)動領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。各種新型的電機(jī)(包括非電磁式的運(yùn)動機(jī)械，如超聲波電動機(jī))也就不斷被開發(fā)出來并得到習(xí)漸廣泛的應(yīng)用。
(4)調(diào)速化
傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，電機(jī)往往是工作在開、關(guān)方式的。頻繁的開關(guān)對電機(jī)、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(jī)的負(fù)載)的性能也會受到影響，例如，傳統(tǒng)開關(guān)方式的空調(diào)的舒適度比采用變頻調(diào)速方式的空調(diào)要差得多。因此，現(xiàn)代電機(jī)經(jīng)常采用調(diào)速運(yùn)行的方式，既可克服上述的缺點(diǎn)，還可以提高整個系統(tǒng)效率與性能。
(5)小型、微型化
很多產(chǎn)品往往對電機(jī)的體積提出了很高的要求。為了達(dá)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(jī)的功率密度，另一方面還要不斷研究新型的電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理。
(6)伺服化
現(xiàn)代電機(jī)及驅(qū)動裝置不僅僅是為了提供動力，還要實(shí)現(xiàn)各種控制，如轉(zhuǎn)速跟蹤、位置控制等等。因此要對電機(jī)進(jìn)行伺服控制。這需要從電機(jī)本體、電力電子驅(qū)動器、傳感器及控制技術(shù)等多個方面來實(shí)現(xiàn)。
(7)機(jī)電一體化
現(xiàn)代電機(jī)已經(jīng)不僅僅局限于傳統(tǒng)電機(jī)的范疇，它涵蓋了電機(jī)本體、計(jì)算機(jī)與電子控制器、功率變換器、傳感器和控制技術(shù)等多個方面，而且在電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造時，還往往要與后級的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和負(fù)載(如各種機(jī)械、液壓、氣動裝置)整合起來。這樣，現(xiàn)代電機(jī)往往已不是一個零件級的執(zhí)行器，而是一個可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)。
(8)智能化
如前所述，現(xiàn)代電機(jī)不僅僅是簡單地提供動力，還要提供高精度的復(fù)雜的運(yùn)動控制，還要具備自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自保護(hù)等功能。這些功能的實(shí)現(xiàn)，都離不開智能化。而智能化的實(shí)現(xiàn)，又離不開現(xiàn)代控制理論、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和新型材料。
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