現(xiàn)代創(chuàng)新型電機(jī)設(shè)計(jì)研究

范 銳

（佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

現(xiàn)代的創(chuàng)新電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，力求將有刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為無刷電機(jī)：無刷直流電機(jī)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，由電動(dòng)機(jī)自然本體和驅(qū)動(dòng)器所構(gòu)成。而無刷電機(jī)品種也很多，但幾乎沒有無刷電機(jī)的任何缺陷。無刷電機(jī)磨損小、噪聲少、干擾小。因此，無刷電機(jī)比有刷電機(jī)具有較大的優(yōu)越性。

現(xiàn)代電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)：現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)通常在高速運(yùn)行時(shí)，其工作轉(zhuǎn)速可達(dá)到每分鐘幾百乃至幾千轉(zhuǎn)。在如此高速的工作轉(zhuǎn)速下，切換為高速和低速都是相當(dāng)麻煩的。此時(shí)，唯有把現(xiàn)代電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展為直接驅(qū)動(dòng)，才可以更有效地克服這一問題。智能化：在當(dāng)今社會(huì)，隨著電子科學(xué)技術(shù)的迅速變化，智能系統(tǒng)也開始滲入人類生活中的各個(gè)方面。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不但能夠幫助整個(gè)車輛的機(jī)械系統(tǒng)，還能夠平衡和調(diào)整車輛的內(nèi)部電氣系統(tǒng)[1]。在當(dāng)今社會(huì)，現(xiàn)代車輛系統(tǒng)更要求具備高度適應(yīng)性和主動(dòng)創(chuàng)新功能，并形成了面向各種任務(wù)的個(gè)性化服務(wù)。這也是汽車智能科技和現(xiàn)代電子系統(tǒng)高度集成的重要表征。同時(shí)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)智能化系統(tǒng)還要求綜合運(yùn)用各種電子理論、智能傳感器和高效材料[2]。

1 超聲波電機(jī)

1.1 超聲波電機(jī)的原理

超聲波電機(jī)，是指一類利用超聲材料在一定頻域內(nèi)產(chǎn)生的震蕩來獲取電能的機(jī)器，又或者使用超聲波振蕩來獲取電能的機(jī)器。超聲波電機(jī)利用壓電材料的輸入電壓，而形成晶格變化。超聲波電機(jī)由于使用了壓電材料的高輸入電流，從而產(chǎn)生了晶格變形。但是，由于使用了壓電材料驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子，前進(jìn)距離一般都相當(dāng)小，通常為微米量級(jí)。所以，如果電機(jī)要求長距離運(yùn)動(dòng)時(shí)，就必須利用輸入超聲波的高頻電壓，使定子產(chǎn)生很大的震動(dòng)頻率，以獲得理想的轉(zhuǎn)速，這也就是超聲波電機(jī)的基本原理[3]。

1.2 超聲波電機(jī)的特性

1.根據(jù)超聲波發(fā)動(dòng)機(jī)彈性振動(dòng)體的振動(dòng)率和摩擦驅(qū)動(dòng)電能的方法確定，這是一個(gè)低速引擎。同時(shí)，由于其功率密度通常比普通電磁發(fā)動(dòng)機(jī)高5 至10 倍，它可以在低速時(shí)獲得大扭矩，并且沒有減速機(jī)構(gòu)，因此可以直接驅(qū)動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)[4]。

2.當(dāng)超聲波發(fā)動(dòng)機(jī)由于歧管和轉(zhuǎn)子之間的靜摩擦而關(guān)閉時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)之間會(huì)形成較大的靜扭矩，實(shí)現(xiàn)自鎖并斷開制動(dòng)；簡化GPS 工作，縮短響應(yīng)時(shí)間。

3.超聲波發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)器，通過超聲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。超聲振動(dòng)的振幅一般為微米量級(jí)。但是，在直接反饋系統(tǒng)中，因?yàn)楦咚俜蛛x能力和高速定位精度，更容易實(shí)現(xiàn)。

1.3 超聲波電機(jī)的應(yīng)用

超聲波電機(jī)還可以作為照相機(jī)的驅(qū)動(dòng)器和自動(dòng)對(duì)焦控制器。自動(dòng)駕駛儀-工業(yè)機(jī)器人和小型儀器的自動(dòng)控制器，供飛行員在飛機(jī)和航空上使用；高檔汽車門窗；座椅調(diào)整及驅(qū)動(dòng)裝置；自動(dòng)打開和關(guān)閉窗簾。醫(yī)療領(lǐng)域：人工心臟、人工關(guān)節(jié)、人工驅(qū)動(dòng)設(shè)備、強(qiáng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)裝置、磁懸浮電動(dòng)車組等控制系統(tǒng)。如果驅(qū)動(dòng)裝置不產(chǎn)生磁性，例如磁通門自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤等。

2 無刷永磁電機(jī)

2.1 無刷永磁電機(jī)的原理

無刷永磁電機(jī)的伺服系統(tǒng)，如圖1 所示。主要由如下四大部分所組成：永磁同步電機(jī)MS、轉(zhuǎn)子位移檢測(cè)器BQ、逆變器和控制器。

圖1 無刷永磁電機(jī)的伺服系統(tǒng)

2.2 無刷永磁電機(jī)的特點(diǎn)

1.無刷直流電機(jī)效率高，高效面積大，功率和轉(zhuǎn)矩密度高，功率因數(shù)（COSφ）接近1，系統(tǒng)能效高于百分之九十，永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子能夠在所有狀況下同步工作，交流電流頻率電機(jī)為變頻調(diào)速，無刷直流電機(jī)則是變頻調(diào)速。發(fā)電機(jī)以相等速度同時(shí)工作，在轉(zhuǎn)子上既不損失銅也不損失鐵。

2.無刷直流電機(jī)具有低壓特性好、轉(zhuǎn)矩過載特性強(qiáng)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大（堵轉(zhuǎn)特性）、起動(dòng)壓力差小等特點(diǎn)[5]。

2.3 無刷永磁電機(jī)的應(yīng)用

汽車凈化器主要使用直流無刷電機(jī)，通過驅(qū)動(dòng)的離心葉片清除污濁空氣。而發(fā)電機(jī)本體則根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的電路方案選擇，通常采用兩相橋式換向驅(qū)動(dòng)電路。定子內(nèi)繞組可以很容易地繞在鐵心齒上。發(fā)電機(jī)制成了外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即定子和定子繞組并置于同一個(gè)轉(zhuǎn)子內(nèi)。換向驅(qū)動(dòng)電路使用了專門的嵌入式集成電路（ASIC），結(jié)構(gòu)簡潔，并具有了電子監(jiān)視和保護(hù)的功能。

工業(yè)縫紉機(jī)用無刷直流電機(jī)具備正反向（100ms）的起動(dòng)速度，以及制動(dòng)速率快、定位精度高、過載能力大、震動(dòng)范圍小、自動(dòng)背縫等三種自動(dòng)控制功能，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)工業(yè)縫紉機(jī)的手動(dòng)剪線和手動(dòng)挑線[6]。

3 步進(jìn)電機(jī)控制

3.1 步進(jìn)電機(jī)的原理

步進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)是一種開放式循環(huán)電氣控制裝置，可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線性位移。如果沒有過載，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和排量僅取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，不受負(fù)載變化的影響。通過改變電壓和脈沖率，可以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并快速啟動(dòng)、停止或反轉(zhuǎn)。適用于數(shù)字控制器。原則上，控制器可在0.5 之前打開或關(guān)閉[7]。此外，步進(jìn)電機(jī)還具有周期誤差和累積誤差的優(yōu)點(diǎn)。因此，在速度調(diào)節(jié)器和車輛控制領(lǐng)域，通過蹦床來調(diào)節(jié)速度將非常容易。該系統(tǒng)由雙脈沖信號(hào)和可以實(shí)際使用的高能鏈組成，因此，步進(jìn)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用并不簡單，因?yàn)樗€包括許多專業(yè)，如機(jī)械工程、汽車、電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等。步進(jìn)式發(fā)動(dòng)機(jī)主要由穩(wěn)定器和轉(zhuǎn)子組成，它是由地磁材料制成的，控制裝置的旋轉(zhuǎn)位于穩(wěn)定器的地磁場(chǎng)處。

3.2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)

步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與控制脈沖頻率之間的比率是轉(zhuǎn)矩頻率的一個(gè)特征。其特點(diǎn)是減速曲線明顯變化，通常從最大轉(zhuǎn)矩（起動(dòng)轉(zhuǎn)矩）TQ 開始。然而，由于控制脈沖頻率的增加，步進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度逐漸增加，而負(fù)載容量則降低。關(guān)于電源的基本規(guī)定：階段編號(hào)、接線方法、電源的電壓和電流應(yīng)滿足步進(jìn)機(jī)的基本要求，應(yīng)符合步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻率和工作頻率的規(guī)定。最大限度地抑制了步進(jìn)機(jī)的振動(dòng)，工作環(huán)境穩(wěn)定可靠，驅(qū)避能力強(qiáng)；成本低、效率高、配置簡單、維護(hù)簡單。

3.3 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用

3.3.1 工業(yè)機(jī)器手中的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)械手是一種能夠模擬手的機(jī)械動(dòng)作方法。它可以代替人手抓取物體、搬運(yùn)物品和使用工具執(zhí)行程序。發(fā)動(dòng)機(jī)是一種機(jī)電設(shè)備，可以將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)和角位移。步進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)位置與輸入脈沖的數(shù)量成正比，而速度與單位時(shí)間內(nèi)的輸入脈沖數(shù)（即脈沖頻率）成反比，并均勻分布在每一步的相位旋轉(zhuǎn)上機(jī)器。因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)調(diào)節(jié)脈沖的數(shù)量和頻率以及耦合后相序的相應(yīng)值時(shí)，啟動(dòng)階段，步進(jìn)機(jī)的速度和方向可以調(diào)節(jié)。

3.3.2 包裝機(jī)械中的應(yīng)用

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)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(jī)上，甚至在電機(jī)的測(cè)試中，步進(jìn)電機(jī)由于其自身的特點(diǎn)，已經(jīng)獲得了不可替代的重要地位。

4 電機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

由于節(jié)能成為世界關(guān)心的焦點(diǎn)，電力設(shè)計(jì)的效率問題也日益引起重視。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)配合產(chǎn)業(yè)發(fā)展，幫助工程設(shè)計(jì)師提升生產(chǎn)效率、減少能耗、增強(qiáng)產(chǎn)品安全性、降低電子元器件數(shù)量等，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)節(jié)能目標(biāo)具有積極意義。

無刷直流式（BLDC）電機(jī)用來代替在發(fā)電機(jī)罩下輔助部分的皮帶和大齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，如泵、閥、加熱器、空調(diào)、風(fēng)機(jī)等。隨著無刷直流電機(jī)擁有越來越卓越的特性，它也開始進(jìn)入了傳統(tǒng)上使用無刷直流（BDC）電源方案的其他領(lǐng)域。另一種趨勢(shì)是，應(yīng)用裝配率提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的總裝配數(shù)量。例如，電熱通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）門控（主要是無刷直流單極步進(jìn)電機(jī)）技術(shù)就已廣泛應(yīng)用于中低端汽車的HVAC 控制系統(tǒng)。

無刷直流電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于信息通訊行業(yè)。典型應(yīng)用有通風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、自動(dòng)泵和壓氣機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）比傳統(tǒng)的交流電動(dòng)機(jī)（AC）或開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM）的效能更高。同時(shí)，無刷直流電動(dòng)機(jī)亦能進(jìn)行較低速、低成本的應(yīng)用，尤其是集成無傳感器換相算法，也因此節(jié)約了大量外部傳感器。

5 節(jié)能趨勢(shì)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的新要求

能源成本通常是發(fā)電機(jī)全部壽命循環(huán)成本中最重要的一部分。所以，通過使用更高效率的發(fā)電機(jī)能夠節(jié)約不少電能。在國際節(jié)能趨勢(shì)中，對(duì)電力驅(qū)動(dòng)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(shù)和電力結(jié)構(gòu)，所以必須選用可以把電力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的發(fā)動(dòng)機(jī)，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(qū)動(dòng)功率，從而增加能源利用率的驅(qū)動(dòng)電路。最后，必須通過增加發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)智能化程度，達(dá)到優(yōu)化的能源方案[8]。

6 提高電機(jī)設(shè)計(jì)能效的創(chuàng)新解決方案

步進(jìn)電機(jī)在高速、高精度、動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中也越來越受到人們的青睞。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，智能電機(jī)/控制器的特殊標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）也應(yīng)運(yùn)而生，可以更有效地驅(qū)動(dòng)這些設(shè)備。這種標(biāo)準(zhǔn)裝置為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造了更加靈活多樣的方法，開發(fā)了新的功能空間，也出現(xiàn)了許多新的應(yīng)用。

6.1 雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制器

AMIS-30623 是由AMIS-3062X 系列半導(dǎo)體有限公司所研制的消費(fèi)電子產(chǎn)品，是一款高效的雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。本產(chǎn)品包括專用有限狀態(tài)機(jī)，局域網(wǎng)（LIN）指令集，是根據(jù)先進(jìn)的前照燈系統(tǒng)（AFS）及控制系統(tǒng)的需要量身定做的。本實(shí)用新型集無傳感器控制系統(tǒng)和測(cè)試功能于一身，大大增強(qiáng)了安全性，也降低了航天器部件數(shù)量，從而減少了生產(chǎn)成本。AMIS-30623 也是為遠(yuǎn)程應(yīng)用和多軸定位系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。新設(shè)計(jì)的無傳感器控制系統(tǒng)和測(cè)量功能，可簡單地實(shí)現(xiàn)高精確定位和準(zhǔn)閉環(huán)標(biāo)定過程。

該系統(tǒng)設(shè)備的主要好處是，每個(gè)應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)控制功能都可在工廠內(nèi)預(yù)先編寫，這就大大減少了機(jī)械工程師的編碼工作。一旦選定了設(shè)備的閃存版本，就可在開發(fā)應(yīng)用程序和以后測(cè)試和調(diào)試的軟件時(shí)，對(duì)其進(jìn)行重新編寫，這將極大提高設(shè)備設(shè)計(jì)更新的速度。

6.2 步進(jìn)電機(jī)的精確動(dòng)態(tài)控制

隨著步進(jìn)電機(jī)在更多的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)者們也將日益要求更為精確的產(chǎn)品定位。但同時(shí)，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(duì)于紡織機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控銑床等消費(fèi)電子產(chǎn)品而言，更加具有吸引力。安森美0.5 半導(dǎo)體的Amis-305xx 產(chǎn)品，是在所有要求更精確全過程動(dòng)態(tài)管理的步進(jìn)電機(jī)系列中最大的ASSP 產(chǎn)品。它還能夠?qū)崿F(xiàn)具有SPI 接口的可變電機(jī)電流控制器，以實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的全過程動(dòng)態(tài)管理。

在建筑自動(dòng)化汽車安全設(shè)計(jì)中，工程師不應(yīng)再擔(dān)心動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的交通計(jì)算，因?yàn)檫@些計(jì)算已集成到ASSP 中。它們應(yīng)僅規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)的總運(yùn)動(dòng)，相關(guān)IC 系統(tǒng)可執(zhí)行增強(qiáng)功能，如系列的傳感器報(bào)告，簡化設(shè)計(jì)師的工作，加快上市時(shí)間。此外，這些新的微步引擎和控制系統(tǒng)還可以使設(shè)計(jì)師以最低的速度和輕松度完成動(dòng)態(tài)應(yīng)用組件和材料的最低價(jià)格。

7 結(jié)語

按照要求選用電機(jī)，是設(shè)計(jì)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的原則。另外還應(yīng)兼顧以下各種因素：電動(dòng)機(jī)能完全滿足對(duì)于生產(chǎn)機(jī)械在電器功能方面的要求；生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)在工作過程中，其輸出功率也應(yīng)被最有效地利用；生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，也要滿足于周圍環(huán)境的需要。不同的工作環(huán)境下，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)也存在著不同的要求。這里所論述的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，是可以在特定的工況環(huán)境下應(yīng)用的，不過如果把它們和傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)相比，會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)控制并不容易，而且對(duì)電源驅(qū)動(dòng)方法的要求也更多。不過，他們也具有別的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)所不能替代的優(yōu)點(diǎn)。在創(chuàng)新型電源管理系統(tǒng)中，合理地節(jié)電已經(jīng)是一種總的發(fā)展趨勢(shì)，而電力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品則已日益成為大量的通用商品，而降低每個(gè)供電驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)成本與降低方案尺寸，將成為一個(gè)很重要的經(jīng)濟(jì)動(dòng)力，而市場(chǎng)也將會(huì)在最高效的管理方式和降低成本之間取得一種動(dòng)態(tài)平衡。