电机传动系统技术发展趋势研究

电机传动系统技术发展趋势研究

作者：丁文龙毕家伟

来源：《环球市场》2020年第10期

摘要：此文简单介绍了电机技术的主要特点，详细分析了电机系统技术的发展与电机及传动系统，并研究电机传动系统的技术发展趋势，希望能够给未来的相关研究提供参考。

关键词：电机;传动系统技术;发展趋势

把电机作为基础的电动机械能是目前工业发展的关键。近年来，虽然是在以内燃机为常见动力装置的交通运输范围，电机也逐渐被当作牵引的常见动力运用在电动汽车与轨道车辆以及采用电力推进的船舶中。对此，此文简单介绍了电机技术的主要特点，详细分析了电机系统技术的发展与电机及传动系统，并研究电机传动系统的技术发展趋势，希望能够给未来的相关研究提供参考。

一、电机技术的特点

电机与内燃机以及汽轮机进行比较，具有如下技术优势：（1）电机功率领域较广，能够从毫瓦级别到百万瓦级别。（2）电机的转矩有着宽广的运行范围。（3）电机可运用在很多种的外部环境中，例如真空、水和极端环境;同时电机不具备排放问题，其振动和噪声均较小，有着较好的环保性能。（4）电机的响应速度可达内燃机和汽轮机的10倍以上。（5）电机运行效率较高，空载或待机模式下消耗不多。（6）电机的旋转方向可轻易调节。（7）电机输出转矩的大小可以轻易地调节，并且不受整机旋转方向的影响。（8）电机能够被设计成多种复杂的结构形式，其可被安置在全部可以使用的地方。（9）电机通过电驱动，其控制系统能够极易地与现代信息处理设备相兼容[1]。

二、电机系统技术的发展

尽管电机具备上述优点，但电机在使用过程中的能量损耗还是十分巨大的。我国的电机多以普通效率及高效率为主，而美国等发达国家已经推行超高效率电机。近年来为呼应节能减排的大方向，电机系统节能技术的开发日益重要。节能技术的发展不仅能节约能耗，节省成本，更能在电动汽车领域为提升汽车续航能力提供更多的可能性。

三、电机及传动系统

一个电机驱动系统通常包括机械驱动系统、电机、功率变换器和控制系统等等。对于传动系统的设计，除了电机本身外，还有其他几个方面需要考虑。如同一般的工程设计，获得同样性能的传动系统可以通过多种方式来实现。评价是否为最佳设计的最终标准不只是经济因素，

如初始投资、运行成本等，还包括非经济原因，如环保、伦理和法规。现在，考虑到工程应承担的社会责任，非经济原因正变得十分重要。经过100年的发展，电机的外形可谓纷繁多样，而且可以根据电机的具体用途将其设计成合适的外形。根据转子的运动方向可以把电机分成旋转电机和直线电机。对于典型的旋转电机，如果输出功率变大，尺寸尤其是转子半径也会变大，因此会具有较大的离心力，由于转子材料的屈服强度有限，高速大功率电机的制造较为困难。近期，随着CAD技术和材料技术尤其是永磁材料的发展，高速大功率电机已开始被应用在一些特殊领域，如压缩机、飞轮储能装置等方面，并且永磁同步电机的输出功率和转速在未来会得到进一步提升[3]。

四、电机传动系统技术的发展趋势

以往，因为转矩与速度控制的方便性，直流电机在变速驱动系统（ASD）中得到了广泛应用。然而随着电力电子技术的发展，像由变压变频（VVVF）逆变器驱动的异步电机与同步交流电机驱动系统已经被大量运用。逆变器能取代直流电机中的换向器和电刷，而换向器和电刷由于需要定期维护一直是直流电机的一大弊端。这种从直流电机逐步向交流电机调整的趋势将会持续下去，这不仅仅是由于前面提到的电力电子技术的发展，还由于像磁场定向控制这样的先进交流电机控制理论的提出。最初的直流电机与交流电机都是通过单独的励磁绕组中得到磁通的。不同的是，直流电机与同步电机的磁通都来自励磁绕组的电流，而异步电机的磁通通过定子电流产生[4]。但随着高性能、高可靠性永磁体的应用，即使是兆瓦级电机的磁通都来自永磁体的剩磁。用永磁体替换独立的励磁绕组后，电机的转矩和能量密度都得到了提高;同时，通过消除励磁绕组铜耗可显著提升电机的运行效率。这种由额外的励磁绕组提供磁通转向由永磁体励磁的趋势将会继续。因此，未来永磁交流电机的应用会更加广泛。随着生产技术的革新，电机及其控制系统价格的下降，电機在机械装置中使用率越来越高，这些机械装置有不同的运动形式，在机械装置每个运行点上的电机产生的机械功率被直接利用或转换为需要的形式，能够实现更为复杂精密的协作运动。运动部件所需要的动作可不经过额外的速度或转矩调整而直接由电机提供，以此提高系统的总效率。此外，通过消除非线性因素的影响和能量损耗，例如扭转振荡和摩擦等因素，可提高运动控制系统的性能。将来该类趋势将会持续下去，这种特制的电机将会运用到各个运动部件。现在，智能控制技术被大量运用，在无人工干预的前提下，智能控制系统可以控制电机在充分优化的环境条件下运行。在最开始的时候，运用自动控制的电机驱动系统只存在比较便捷的监控作用，此种控制单元把用户设置好的操作命令传达给电机驱动系统。近年来，直接数字控制、分布式智能控制技术已经大量运用在全新的运动控制系统中[5]。

五、结语

作为一类在国民生产及国防工业领域得以广泛应用的二次动力机，针对电机开展的技术研究其重要性自然不言而喻。考虑到相比于内燃机及汽轮机等传统热力发动机的技术优势，以及人工智能、自动控制等先进技术领域的不断发展，电机的应用必将日益广泛。

参考文献：

[1]鞠锦勇，李威，范孟豹，王禹桥，杨雪锋.永磁电机驱动的刮板输送机主传动系统机电耦合扭振动态分岔研究[J].振动与冲击，2018，37（23）：52-60.

[2]陶小松，王鹏，陈乐.纯电动汽车动力系统参数匹配与性能仿真[J].山东交通学院学报，2018，26（04）：7-14.

[3]刘成强，徐海港，柴本本，陈林用.纯电动汽车传动系统扭转振动特性分析[J].机械设计与制造，2018（12）：223-226.

[4]荀博深，耿龙伟，杨骁，赵振秀.混合动力汽车动力传动系统参数匹配研究[J].汽车实用技术，2018（15）：9-12.

[5]韦伟.电动汽车动力传动系统的研究[J].汽车与驾驶维修（维修版），2018（06）：150.