電機傳動系統技術發展趨勢研究

摘要：介紹了電機相比內燃機及汽輪機的技術優勢，同時簡要闡述了其技術發展史，并重點對電機傳動系統未來技術發展趨勢進行了研究。電機作為一類性能優越的二次動力機，其在工業建設及國防軍事領域的應用必將日漸廣泛。

關鍵詞：電機;傳動系統;控制系統;內燃機;汽輪機

0? ? 引言

人類文明的發展取決于能源的種類和形式。工業革命始于18世紀蒸汽機的發明，而19世紀內燃機的發明使得工業生產的效率大幅提高。在19世紀電機被發明之后，電機產生的機械能成為有史以來最重要的能源形式之一。以電機為基礎的電動機械能是當今工業社會的基礎。近年來，即使是在以內燃機為主要動力裝置的交通運輸領域，電機也逐漸被作為牽引的主要動力應用于電動汽車、軌道車輛以及采用電力推進的船舶中[1-5]。

1? ? 電機的技術優勢

電機相比內燃機和汽輪機，具有如下技術優勢[6-7]：（1）電機功率范圍較廣，可以從毫瓦級別到百萬瓦級別。（2）電機的轉矩有著寬廣的運行范圍。（3）電機可適應各種外部環境，例如真空、水和極端環境;同時電機不存在排放問題，其振動和噪聲均較小，有著較好的環保性能。（4）電機的響應速度可達內燃機和汽輪機的10倍以上。（5）電機運行效率較高，空載或待機模式下損耗更小。（6）電機的旋轉方向可輕易調節。（7）電機輸出轉矩的大小可以輕易地調節，并且不受整機旋轉方向的影響。（8）電機可以被設計成多種復雜的結構形式，其可被安置在任何需要的地方。（9）電機由電驅動，其控制系統可以很容易地和現代信息處理設備相兼容。

2? ? 電機系統的技術發展

隨著電力電子技術、電磁技術、絕緣技術以及信息技術的發展，相比于內燃機和汽輪機等傳統熱力發動機，電機的上述優勢已進一步得到強化。尤其是近幾年，隨著稀土磁材料，例如釹鐵硼等鐵磁材料的發展，電機的轉矩已經可與液壓系統相媲美。基于液壓的運動控制系統將逐漸被電機所取代。隨著電力電子技術的發展，可以很方便地使用信息處理系統直接控制電機驅動系統，而且驅動系統可以實現自動化且不需要配備額外的硬件設施。盡管電機具備上述優點，但由于其需要持續的電能供給方可實現運轉，因此限制了其在移動設備動力系統中的應用。近年來，為呼應節能減排的大方向，對電動汽車的關注度與日俱增。作為能量儲存裝置，由于動力電池的性能有限，純電動汽車的推廣普及仍需假以時日。在這一背景下，從內燃機獲得部分或全部能量來驅動電機的混合動力汽車技術已經比較成熟，并已進入實用階段。

3? ? 電機及傳動系統

一個電機驅動系統通常包括機械驅動系統、電機、功率變換器和控制系統等等。對于傳動系統的設計，除了電機本身外，還有其他幾個方面需要考慮。如同一般的工程設計，獲得同樣性能的傳動系統可以通過多種方式來實現。評價是否為最佳設計的最終標準不只是經濟因素，如初始投資、運行成本等，還包括非經濟原因，如環保、倫理和法規。現在，考慮到工程應承擔的社會責任，非經濟原因正變得十分重要。經過100年的發展，電機的外形可謂紛繁多樣，而且可以根據電機的具體用途將其設計成合適的外形。根據轉子的運動方向可以把電機分成旋轉電機和直線電機。對于典型的旋轉電機，如果輸出功率變大，尺寸尤其是轉子半徑也會變大，因此會具有較大的離心力，由于轉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技術和材料技術尤其是永磁材料的發展，高速大功率電機已開始被應用在一些特殊領域，如壓縮機、飛輪儲能裝置等方面[8]，并且永磁同步電機的輸出功率和轉速在未來會得到進一步提升[9]。

4? ? 電機傳動系統的技術發展趨勢

過去，由于轉矩和速度控制的便利性，直流電機在變速驅動系統（ASD）中得到了廣泛應用。然而隨著電力電子技術的發展，像由變壓變頻（VVVF）逆變器驅動的異步電機和同步交流電機驅動系統已得到了廣泛應用。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整的趨勢將會持續下去，這不僅僅是由于前面提到的電力電子技術的發展，還由于像磁場定向控制這樣的先進交流電機控制理論的提出。早期的直流電機和交流電機都是從獨立的勵磁繞組中獲得磁通的。不同的是，直流電機和同步電機的磁通都來自勵磁繞組的電流，而異步電機的磁通由定子電流產生。但隨著高性能、高可靠性永磁體的應用，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向由永磁體勵磁的趨勢將會繼續。因此，未來永磁交流電機的應用會更加廣泛。20世紀初期，由于電機和電機控制系統成本均較為昂貴，整個工廠只采用一臺大電機，該電機輸出的機械能量通過齒輪和傳送帶被分送給每一個需要運作的機械裝置。隨著電機及其控制系統價格的下降，每個機械裝置均配置有其獨立的電機，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生的機械功率被直接利用或轉換為需要的形式。近年來，即使是單一的機械設備，每個運動部件都配裝有多個電機。運動部件所需要的動作可不經過額外的速度或轉矩調整而直接由電機提供，以此提高系統的總效率。

此外，通過消除非線性因素的影響和能量損耗，例如扭轉振蕩和摩擦等因素，可提高運動控制系統的性能。將來該類趨勢將會持續下去，這種特制的電機將會運用到各個運動部件。例如，對于高速操作，不通過齒輪提速而直接使用高速電機就可以提供動力來源。對于直線運動，不用滾珠螺桿等機械裝置而直接使用直線電機就可投入運作。對于大轉矩、低轉速的牽引系統，直接使用電機驅動可以減少系統的體積和損耗。電機驅動系統的控制方法已經由人工操作發展為自動控制系統。現在，智能控制技術已經投入使用，在無人介入的情況下，智能控制系統可以控制電機在充分優化的環境條件下運行。在初期，使用自動控制的電機驅動系統只有一些簡單的監控功能，這種控制單元將用戶設置好的操作命令傳達給電機驅動系統。近年來，直接數字控制、分布式智能控制技術已被廣泛應用于全新的運動控制系統中。

5? ? 結語

作為一類在國民生產及國防工業領域得以廣泛應用的二次動力機，針對電機開展的技術研究其重要性自然不言而喻。考慮到相比于內燃機及汽輪機等傳統熱力發動機的技術優勢，以及人工智能、自動控制等先進技術領域的不斷發展，電機的應用必將日益廣泛。

[參考文獻]

[1] 伍賽特.燃氣輪機應用于車用動力裝置的可行性分析研究[J].交通節能與環保，2019，15（1）：13-15.

[2] 伍賽特.鋁空氣電池應用于汽車動力裝置的技術現狀及前景展望[J].小型內燃機與車輛技術，2019，48（1）：78-80.

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[5] 唐偉.基于參數自適應新型滑模觀測器的PMSM無位置傳感器控制技術研究[D].西安：西安理工大學，2019.

[6] 伍賽特.內燃機與燃氣輪機的啟動過程及影響因素研究[J].內燃機與配件，2018（15）：52-54.

[7] 伍賽特.汽輪機技術研究現狀及發展趨勢[J].能源研究與管理，2019（4）：7-13.

[8] 伍賽特.飛輪電池應用于汽車動力裝置的技術現狀與前景展望[J].汽車零部件，2018（11）：91-93.

[9] SUL S K.電機傳動系統控制[M].張永昌，李正熙，譯.北京：機械工業出版社，2013.

收稿日期：2020-01-17

作者簡介：伍賽特（1990—），男，湖南邵陽人，工學碩士，助理工程師，研究方向：內燃機與動力裝置。