電機傳動系統技術發展趨勢研究

丁文龍 畢家偉

摘要：此文簡單介紹了電機技術的主要特點，詳細分析了電機系統技術的發展與電機及傳動系統，并研究電機傳動系統的技術發展趨勢，希望能夠給未來的相關研究提供參考。

關鍵詞：電機;傳動系統技術;發展趨勢

把電機作為基礎的電動機械能是目前工業發展的關鍵。近年來，雖然是在以內燃機為常見動力裝置的交通運輸范圍，電機也逐漸被當作牽引的常見動力運用在電動汽車與軌道車輛以及采用電力推進的船舶中。對此，此文簡單介紹了電機技術的主要特點，詳細分析了電機系統技術的發展與電機及傳動系統，并研究電機傳動系統的技術發展趨勢，希望能夠給未來的相關研究提供參考。

一、電機技術的特點

電機與內燃機以及汽輪機進行比較，具有如下技術優勢：（1）電機功率領域較廣，能夠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）電機可運用在很多種的外部環境中，例如真空、水和極端環境;同時電機不具備排放問題，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，空載或待機模式下消耗不多。（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）電機能夠被設計成多種復雜的結構形式，其可被安置在全部可以使用的地方。（9）電機通過電驅動，其控制系統能夠極易地與現代信息處理設備相兼容[1]。

二、電機系統技術的發展

盡管電機具備上述優點，但電機在使用過程中的能量損耗還是十分巨大的。我國的電機多以普通效率及高效率為主，而美國等發達國家已經推行超高效率電機。近年來為呼應節能減排的大方向，電機系統節能技術的開發日益重要。節能技術的發展不僅能節約能耗，節省成本，更能在電動汽車領域為提升汽車續航能力提供更多的可能性。

三、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，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[3]。

四、電機傳動系統技術的發展趨勢

以往，因為轉矩與速度控制的方便性，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與同步交流電機驅動系統已經被大量運用。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。最初的直流電機與交流電機都是通過單獨的勵磁繞組中得到磁通的。不同的是，直流電機與同步電機的磁通都來自勵磁繞組的電流，而異步電機的磁通通過定子電流產生[4]。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。隨著生產技術的革新，電機及其控制系統價格的下降，電機在機械裝置中使用率越來越高，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，能夠實現更為復雜精密的協作運動。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。現在，智能控制技術被大量運用，在無人工干預的前提下，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。在最開始的時候，運用自動控制的電機驅動系統只存在比較便捷的監控作用，此種控制單元把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經大量運用在全新的運動控制系統中[5]。

五、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]鞠錦勇，李威，范孟豹，王禹橋，楊雪鋒.永磁電機驅動的刮板輸送機主傳動系統機電耦合扭振動態分岔研究[J].振動與沖擊，2018，37（23）：52-60.

[2]陶小松，王鵬，陳樂.純電動汽車動力系統參數匹配與性能仿真[J].山東交通學院學報，2018，26（04）：7-14.

[3]劉成強，徐海港，柴本本，陳林用.純電動汽車傳動系統扭轉振動特性分析[J].機械設計與制造，2018（12）：223-226.

[4]荀博深，耿龍偉，楊驍，趙振秀.混合動力汽車動力傳動系統參數匹配研究[J].汽車實用技術，2018（15）：9-12.

[5]韋偉.電動汽車動力傳動系統的研究[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（06）：150.