现代电机技术及其应用

现代电机技术及其应用

黄苏融

(上海大学自动化系200072, email: srhuang@)

摘要：传统的交流电机设计思想是约束在正弦波电压源供电与径向磁场结构基础上。然而，电力电子逆变器与电机的结合，以及开关磁阻电机、无刷直流电机、轴向磁场电机和横向磁场电机的出现则打破了这一传统理念，促使电机设计技术新的变革和创新，导致了逆变器供电电机。逆变器供电电机的设计则建立在电机本体和逆变器的最佳融合以及与电子驱动负载转矩特性的配合上。本文论述了现代电机技术的主要发展过程、现状与近期的研究热点。关键词: 逆变器供电电机汽车线控电子化现代电机设计

1 引言

电机设计是传统电气工程的一个重要分支，早在二十世纪二十年代至二十世纪三十年代初期，异步电机、同步电机等传统电机设计技术的研究已达到顶峰。在被称之为电机设计技术研究的第一个黄金年代的这一时期[1]，几乎所有的交流电机设计被约束在正弦波电压源供电基础上，这就不可避免地导致传统的异步电机和同步电机必须采用正弦分布的定子绕组以最佳匹配正弦波电压源供电。电力电子变换器的发展，给电机设计研究者提供了打破正弦波电压源供电约束的可能性；然而，在相当长的一段时期内，交流电机设计仍然被束缚在正弦波逆变器电压源供电基础上。二十世纪七十年代，随着电力电子技术的发展，电流控制型逆变器首先在异步电机驱动系统中成功应用。开关磁阻电机研究热的兴起和无刷直流方波电机理论的不断完善，促使电机设计理念产生新的变革和创新。于是，电机研究者开始探索思考: 难道三相仍是交流电机的最佳相数吗？正弦波电压源仍是电机的最好波形吗？甚至径向气隙磁场结构是电机的唯一结构吗？

电力电子逆变器与电机的结合，永磁材料的广泛应用和新型软磁铁芯的不断出现，导致了电机结构、设计、性能和制造技术方面的革命，促使逆变器供电电机家族(Converter Fed Machines)迅速壮大。主要有开关磁阻电机、双凸极永磁电机、无刷直流永磁电机、无刷永磁同步电机、轴向磁场电机、横向磁场电机和具有磁场控制能力的永磁电机等。八十年代初期发展至今的逆变器供电电机技术被称之为电机设计的第二个黄金年代[1]。

现代电机设计是建立在逆变器供电电机基础上，典型的逆变器供电电机驱动系统如图1所示。当今，电流控制型电压源PWM逆变器(CRPWM)已成为高性能电机控制器的基本部分；逆变器供电电机的设计和系统性能仿真被建立在电机本体和逆变器的最佳融合以及与电本研究项目与美国威斯康星大学T.A.Lipo教授合作并得到中国国家自然科学基金资助(59877014)。

子驱动负载转矩特性的配合上。现代电机设计技术的发展，不仅促进了电机学科不断向前发展，而且带动了商用设计软件的开发，目前国际电工界公认的设计软件有Ansoft, Magsoft 和Speed等。Ansoft软件已提供了从电机概念设计、自动产生有限元分析和系统仿真模型到深入分析直至含控制电路、控制算法在内的电子驱动系统仿真。

图1典型的逆变器供电电机驱动系统

2 现代电机的几个研究热点与发展趋势

电机与电力驱动系统是传统的老学科。近年来，随着世界军事技术革命和工业电气自动化的需求以及世界经济一体化发展的趋势，推动了新型逆变器供电电机的研究和发展。

当前，高密度、高效率、轻量化的电子驱动系统的研发已成为军事装备的一个技术制高点。在某些军事领域，如舰艇、坦克等的内燃机动力系统将逐步被小型紧凑的高密度电力驱动系统所取代。具有快速响应能力的高密度电力驱动系统大大提高了坦克等军用车载的快速应战能力。在舰艇推进动力系统中，高密度低噪声的电力驱动系统取代体积庞大的内燃机动力系统后，不仅提高舰艇的快速应战能力和隐蔽性，而且小型紧凑的高密度电力驱动系统便于安置在舰艇的适当位置而不易被对方火力所击中，使得舰艇推进系统更具有安全性、可靠性[2-3]。高密度、高效率、轻量化也是各种车辆驱动系统和航空发动机一高密度发电机组的关键性能指标。近年来，运用航空发动机一高密度发电机组技术开发的高密度、高效率、轻量化的备用电源和移动电源在国际市场上供不应求。

高密度、低成本、具有宽广的恒功率调速范围的车辆牵引电机的研发是一个颇有挑战性和竞争性的课题。高性能、低成本的电子驱动和电子伺服系统的研发是国际电工界的一个新的热点。为此，促进了内置式永磁同步电机驱动系统，具有弱磁结构的永磁电机驱动系统、同步磁阻电机驱动系统、双凸极永磁电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统的深入研究[4]。

汽车线控电子化(X-by-wire)技术的发展，给电子驱动系统和电子伺服系统的发展带来了极大的机遇和挑战，图2是下一代线控电子化概念汽车模型。线控电子化技术将汽车各种电

子转向、牵引、制动、悬挂等各种独立的控制系统进行线控电子化连接，实行一体化底盘控制系统。线控电子汽车四轮转向和电子牵引系统采用四个车轮电机及其伺服技术，可以不需要机械联接，每个轮子上都会有一个DSP信号处理器，通过装在每个轮子上的电机来控制转向和牵引，使汽车四轮转向变得非常容易，灵活性和安全性大大提高。线控制动系统(Elec. Brake-by-wire)直接对车轮进行制动控制与牵引控制，使汽车迅速刹车或减速，防止事故发生。图3是线控电子动力转向系统(Elec. Power Steering)，在这个系统中不仅削减了相当多的机械部件，如液压泵等；而且节能10%左右。

图2下一代线控电子化概念汽车模型

图3线控电子动力转向系统

随着汽车线控电子化技术的应用，安全集成系统、自动巡航系统等军事高新技术将逐步运用到汽车上；遇有紧急事故，安全集成系统自动运用防抱死制动装置和牵引力控制装置，汽车便自动刹车或转向，防止事故发生，使汽车的安全性、舒适性、智能性提升到最大限度。汽车电子化技术的发展，使得汽车用电机及其驱动装备快速增长，汽车工业将由传统汽车向电子化汽车过渡，机械驱动向电子驱动发展。许多传统的汽车机械部件将逐步减少，汽车的

操纵性以及汽车的总体结构大大改善，汽车设计的灵活度也大大增加，汽车的零部件将进行脱胎换骨的更新与产业结构调整。

为提高车辆电力驱动系统零部件在全球的竞争力，产品的高可靠性和低成本至关重要。由此，采用铁氧体磁钢聚磁结构的永磁电机、车轮电机、汽车动力传动与电机一体化部件的研发成为一个新的热点，车辆电力电子专用集成模块IPEC的研发是一个新的技术制高点。

图4牵引电机与减速齿轮一体化部件

图5牵引电机、逆变器与水冷结构一体化部件

3. 开关磁阻电机与双凸极永磁电机的发展

电流控制型电源和变磁阻概念电机的结合导致了开关磁阻电机驱动系统，也称为双凸极电机驱动系统。1980年，英国学者wrenson及其同事们在IEE会议上系统地介绍了他们的工作成果，在国际上奠定了现代开关磁阻电机驱动系统的地位[7]。20年来，双凸极电机驱动系统作为一种新型调速系统已成功地用于车辆牵引、风机、泵及卷扬机等工业应用领域。1994年至1998年期间，美国学者T.A.Lipo教授及其助手们提出了多种双凸极永磁电机和具有磁场控制能力的双凸极永磁电机，引起了汽车工业界和美国空军的兴趣[8-12]，双凸极永磁发电机已应用于美国空军的战斗机发动机的起动发电装置[13]。图6是几种典型的双凸极电机结构。

4. 横向磁场电机的发展

二十世纪八十年代德国学者Weh教授及其助手们提出了一种新型高密度电机一横向磁场电机[14]，横向气隙磁场电机被建议用作牵引电机和推进电机[14-17]。图7是几种典型的