現代創新型電機設計研究

范 銳

（佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

現代的創新電動機設計，力求將有刷電動機轉為無刷電機：無刷直流電機是一個典型的機電一體化產品，由電動機自然本體和驅動器所構成。而無刷電機品種也很多，但幾乎沒有無刷電機的任何缺陷。無刷電機磨損小、噪聲少、干擾小。因此，無刷電機比有刷電機具有較大的優越性。

現代電機的直接驅動：現代電動機通常在高速運行時，其工作轉速可達到每分鐘幾百乃至幾千轉。在如此高速的工作轉速下，切換為高速和低速都是相當麻煩的。此時，唯有把現代電力驅動技術發展為直接驅動，才可以更有效地克服這一問題。智能化：在當今社會，隨著電子科學技術的迅速變化，智能系統也開始滲入人類生活中的各個方面。現代發動機技術不但能夠幫助整個車輛的機械系統，還能夠平衡和調整車輛的內部電氣系統[1]。在當今社會，現代車輛系統更要求具備高度適應性和主動創新功能，并形成了面向各種任務的個性化服務。這也是汽車智能科技和現代電子系統高度集成的重要表征。同時現代發動機智能化系統還要求綜合運用各種電子理論、智能傳感器和高效材料[2]。

1 超聲波電機

1.1 超聲波電機的原理

超聲波電機，是指一類利用超聲材料在一定頻域內產生的震蕩來獲取電能的機器，又或者使用超聲波振蕩來獲取電能的機器。超聲波電機利用壓電材料的輸入電壓，而形成晶格變化。超聲波電機由于使用了壓電材料的高輸入電流，從而產生了晶格變形。但是，由于使用了壓電材料驅動的轉子，前進距離一般都相當小，通常為微米量級。所以，如果電機要求長距離運動時，就必須利用輸入超聲波的高頻電壓，使定子產生很大的震動頻率，以獲得理想的轉速，這也就是超聲波電機的基本原理[3]。

1.2 超聲波電機的特性

1.根據超聲波發動機彈性振動體的振動率和摩擦驅動電能的方法確定，這是一個低速引擎。同時，由于其功率密度通常比普通電磁發動機高5 至10 倍，它可以在低速時獲得大扭矩，并且沒有減速機構，因此可以直接驅動推進機構[4]。

2.當超聲波發動機由于歧管和轉子之間的靜摩擦而關閉時，發動機之間會形成較大的靜扭矩，實現自鎖并斷開制動；簡化GPS 工作，縮短響應時間。

3.超聲波發動機的啟動器，通過超聲振動驅動轉子。超聲振動的振幅一般為微米量級。但是，在直接反饋系統中，因為高速分離能力和高速定位精度，更容易實現。

1.3 超聲波電機的應用

超聲波電機還可以作為照相機的驅動器和自動對焦控制器。自動駕駛儀-工業機器人和小型儀器的自動控制器，供飛行員在飛機和航空上使用；高檔汽車門窗；座椅調整及驅動裝置；自動打開和關閉窗簾。醫療領域：人工心臟、人工關節、人工驅動設備、強磁場驅動裝置、磁懸浮電動車組等控制系統。如果驅動裝置不產生磁性，例如磁通門自動檢測系統、轉盤等。

2 無刷永磁電機

2.1 無刷永磁電機的原理

無刷永磁電機的伺服系統，如圖1 所示。主要由如下四大部分所組成：永磁同步電機MS、轉子位移檢測器BQ、逆變器和控制器。

圖1 無刷永磁電機的伺服系統

2.2 無刷永磁電機的特點

1.無刷直流電機效率高，高效面積大，功率和轉矩密度高，功率因數（COSφ）接近1，系統能效高于百分之九十，永磁無刷直流電機轉子能夠在所有狀況下同步工作，交流電流頻率電機為變頻調速，無刷直流電機則是變頻調速。發電機以相等速度同時工作，在轉子上既不損失銅也不損失鐵。

2.無刷直流電機具有低壓特性好、轉矩過載特性強、起動轉矩大（堵轉特性）、起動壓力差小等特點[5]。

2.3 無刷永磁電機的應用

汽車凈化器主要使用直流無刷電機，通過驅動的離心葉片清除污濁空氣。而發電機本體則根據發動機的電路方案選擇，通常采用兩相橋式換向驅動電路。定子內繞組可以很容易地繞在鐵心齒上。發電機制成了外轉子結構，即定子和定子繞組并置于同一個轉子內。換向驅動電路使用了專門的嵌入式集成電路（ASIC），結構簡潔，并具有了電子監視和保護的功能。

工業縫紉機用無刷直流電機具備正反向（100ms）的起動速度，以及制動速率快、定位精度高、過載能力大、震動范圍小、自動背縫等三種自動控制功能，并同時實現了傳統工業縫紉機的手動剪線和手動挑線[6]。

3 步進電機控制

3.1 步進電機的原理

步進發動機是一種開放式循環電氣控制裝置，可將電脈沖信號轉換為角位移或線性位移。如果沒有過載，發動機的轉速和排量僅取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，不受負載變化的影響。通過改變電壓和脈沖率，可以調節發動機轉速并快速啟動、停止或反轉。適用于數字控制器。原則上，控制器可在0.5 之前打開或關閉[7]。此外，步進電機還具有周期誤差和累積誤差的優點。因此，在速度調節器和車輛控制領域，通過蹦床來調節速度將非常容易。該系統由雙脈沖信號和可以實際使用的高能鏈組成，因此，步進機的實際應用并不簡單，因為它還包括許多專業，如機械工程、汽車、電氣工程、計算機科學等。步進式發動機主要由穩定器和轉子組成，它是由地磁材料制成的，控制裝置的旋轉位于穩定器的地磁場處。

3.2 步進電機的特點

步進電機的起動轉矩與控制脈沖頻率之間的比率是轉矩頻率的一個特征。其特點是減速曲線明顯變化，通常從最大轉矩（起動轉矩）TQ 開始。然而，由于控制脈沖頻率的增加，步進發動機的速度逐漸增加，而負載容量則降低。關于電源的基本規定：階段編號、接線方法、電源的電壓和電流應滿足步進機的基本要求，應符合步進電機啟動頻率和工作頻率的規定。最大限度地抑制了步進機的振動，工作環境穩定可靠，驅避能力強；成本低、效率高、配置簡單、維護簡單。

3.3 步進電機的應用

3.3.1 工業機器手中的應用

工業機械手是一種能夠模擬手的機械動作方法。它可以代替人手抓取物體、搬運物品和使用工具執行程序。發動機是一種機電設備，可以將脈沖信號轉換為線性運動和角位移。步進發動機的啟動位置與輸入脈沖的數量成正比，而速度與單位時間內的輸入脈沖數（即脈沖頻率）成反比，并均勻分布在每一步的相位旋轉上機器。因此，當發動機推進調節脈沖的數量和頻率以及耦合后相序的相應值時，啟動階段，步進機的速度和方向可以調節。

3.3.2 包裝機械中的應用

步進電機驅動齒輪泵，實現精確測量。齒輪泵還廣泛用于輸送飲料、豆腐、白酒、油、番茄醬等粘性物料。此外，在礦井提升機上，甚至在電機的測試中，步進電機由于其自身的特點，已經獲得了不可替代的重要地位。

4 電機設計的發展趨勢

由于節能成為世界關心的焦點，電力設計的效率問題也日益引起重視。電機驅動器產業將繼續配合產業發展，幫助工程設計師提升生產效率、減少能耗、增強產品安全性、降低電子元器件數量等，對實現工業節能目標具有積極意義。

無刷直流式（BLDC）電機用來代替在發電機罩下輔助部分的皮帶和大齒輪傳動系統，如泵、閥、加熱器、空調、風機等。隨著無刷直流電機擁有越來越卓越的特性，它也開始進入了傳統上使用無刷直流（BDC）電源方案的其他領域。另一種趨勢是，應用裝配率提高了發動機的總裝配數量。例如，電熱通風空調系統（HVAC）門控（主要是無刷直流單極步進電機）技術就已廣泛應用于中低端汽車的HVAC 控制系統。

無刷直流電動機廣泛應用于信息通訊行業。典型應用有通風機、送風機、自動泵和壓氣機。無刷直流電動機（BLDCM）比傳統的交流電動機（AC）或開關磁阻電動機（SRM）的效能更高。同時，無刷直流電動機亦能進行較低速、低成本的應用，尤其是集成無傳感器換相算法，也因此節約了大量外部傳感器。

5 節能趨勢對電機驅動應用的新要求

能源成本通常是發電機全部壽命循環成本中最重要的一部分。所以，通過使用更高效率的發電機能夠節約不少電能。在國際節能趨勢中，對電力驅動方式的更新需求可以大致分為這些方面。首先，能源利用效率主要決定于所選擇的電力技術和電力結構，所以必須選用可以把電力轉化為機械能的發動機，并把比例增加到最大。其次，必須選用可以最大限度地減少驅動功率，從而增加能源利用率的驅動電路。最后，必須通過增加發電機驅動智能化程度，達到優化的能源方案[8]。

6 提高電機設計能效的創新解決方案

步進電機在高速、高精度、動態的運動控制系統中也越來越受到人們的青睞。隨著電子技術的飛速發展，智能電機/控制器的特殊標準產品（ASSP）也應運而生，可以更有效地驅動這些設備。這種標準裝置為產品設計人員創造了更加靈活多樣的方法，開發了新的功能空間，也出現了許多新的應用。

6.1 雙極步進電機驅動及控制器

AMIS-30623 是由AMIS-3062X 系列半導體有限公司所研制的消費電子產品，是一款高效的雙極性步進電機驅動控制器。本產品包括專用有限狀態機，局域網（LIN）指令集，是根據先進的前照燈系統（AFS）及控制系統的需要量身定做的。本實用新型集無傳感器控制系統和測試功能于一身，大大增強了安全性，也降低了航天器部件數量，從而減少了生產成本。AMIS-30623 也是為遠程應用和多軸定位系統而設計的。新設計的無傳感器控制系統和測量功能，可簡單地實現高精確定位和準閉環標定過程。

該系統設備的主要好處是，每個應用的運動控制功能都可在工廠內預先編寫，這就大大減少了機械工程師的編碼工作。一旦選定了設備的閃存版本，就可在開發應用程序和以后測試和調試的軟件時，對其進行重新編寫，這將極大提高設備設計更新的速度。

6.2 步進電機的精確動態控制

隨著步進電機在更多的現實應用中的出現，設計者們也將日益要求更為精確的產品定位。但同時，也由于其的超高效率、高性能以及日漸減小的尺寸，將促使它對于紡織機械、機器人、數控銑床等消費電子產品而言，更加具有吸引力。安森美0.5 半導體的Amis-305xx 產品，是在所有要求更精確全過程動態管理的步進電機系列中最大的ASSP 產品。它還能夠實現具有SPI 接口的可變電機電流控制器，以實現更為準確的全過程動態管理。

在建筑自動化汽車安全設計中，工程師不應再擔心動態設計中的交通計算，因為這些計算已集成到ASSP 中。它們應僅規定發動機的總運動，相關IC 系統可執行增強功能，如系列的傳感器報告，簡化設計師的工作，加快上市時間。此外，這些新的微步引擎和控制系統還可以使設計師以最低的速度和輕松度完成動態應用組件和材料的最低價格。

7 結語

按照要求選用電機，是設計系統中最關鍵的原則。另外還應兼顧以下各種因素：電動機能完全滿足對于生產機械在電器功能方面的要求；生產電動機在工作過程中，其輸出功率也應被最有效地利用；生產電動機的結構形式，也要滿足于周圍環境的需要。不同的工作環境下，對電機系統也存在著不同的要求。這里所論述的電動機控制系統，是可以在特定的工況環境下應用的，不過如果把它們和傳統的電動機控制系統相比，會發現，對電動機控制并不容易，而且對電源驅動方法的要求也更多。不過，他們也具有別的電動機控制系統所不能替代的優點。在創新型電源管理系統中，合理地節電已經是一種總的發展趨勢，而電力驅動產品則已日益成為大量的通用商品，而降低每個供電驅動的生產成本與降低方案尺寸，將成為一個很重要的經濟動力，而市場也將會在最高效的管理方式和降低成本之間取得一種動態平衡。