全球機電一體化電機發(fā)展狀況

        近二十年來，科學(xué)技術(shù)突飛猛進。隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和控制理論發(fā)展，電機調(diào)速技術(shù)得到迅速發(fā)展，使得電機的應(yīng)用不再局限于工業(yè)應(yīng)用而且在商業(yè)及家用設(shè)備等各個領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用；而隨著新材料如稀土永磁材料Nd-Fe-B、磁性復(fù)合材料的出現(xiàn)，更給電機設(shè)計插上翅膀，各種新型、高效、特種電機層出不窮。這些都極大地豐富了電機理論，拓寬了電機的應(yīng)用領(lǐng)域，同時也給電機設(shè)計和制造工藝提出更高的要求。

一、無刷電機

        近年來，轉(zhuǎn)子采用永磁結(jié)構(gòu)、主電路采用功率器件的無刷直流電機得到了很大的發(fā)展，其功率覆蓋等級較大。小功率無刷直流電機主要應(yīng)用于工廠自動化和辦公自動化方面，如計算機外設(shè)復(fù)印機和家用電器中，它正在迅速取代傳統(tǒng)的直流電機和異步電機；90年代以來，在高精度的數(shù)控設(shè)備中相當多的采用了永磁同步無刷電機（交流伺服電機）以取代寬調(diào)速的直流伺服電機，特別是在機器人和機械手的驅(qū)動中，無刷直流電機的應(yīng)用相當多。目前全世界機器人的擁有量已經(jīng)超過100萬臺，且每年以大于20%的速度增長，這已經(jīng)成為無刷直流電機的主要應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，采用交流無刷電機代替異步電機作為機床的主軸直接驅(qū)動也已成為新的研究和應(yīng)用熱點。大功率無刷直流電機（一般采用晶閘管作為功率器件，習(xí)慣上稱為無換向器電機）在低速、環(huán)境惡劣和有一定調(diào)速性能要求的場合有著廣泛的應(yīng)用前景，如鋼廠的軋機、水泥窯傳動抽水蓄能等。

        目前國外交流伺服電機已經(jīng)部分形成系列，如德國Lens公司，而寶鋼引進的軋機流水線電氣傳動基本采用了無換向器電機實現(xiàn)；日本在電動車的應(yīng)用中也主要采用了無刷直流電機作為驅(qū)動電機，并取得了較好的應(yīng)用效果。

二、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)及變頻電機

        二十年來，電力電子技術(shù)發(fā)生了革命性的進展。功率元件從70年代的晶閘管（SCR），發(fā)展到80年代的雙極型晶體管（BJT，也稱作GTR），到90年代則主要是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。日本的三菱電機公司已推出2000V/1200A的IGBT，歐洲的eupec公司也推出了3300V/1200A的元件，而1200V/600A的IGBT模塊則已大量生產(chǎn)供應(yīng)；IR以及Fairchild等著名半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的IPM模塊更為交流調(diào)速技術(shù)的白色家電（指冰箱、洗衣機和空調(diào)器等）以及汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能?？刂品矫嬉矎哪M控制發(fā)展到數(shù)字控制，從單片機發(fā)展到數(shù)字信號處理器（DSP）和高級專用集成電路，控制部件功能日益完善，而所需的控制器件和控制器體積日益減小，控制器可靠性日益提高而成本日益降低。例如0.75kW通用變頻器的過去的10年間，體積減小到原來的1/10，成本下降了大約40~50%，中小型電機變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成熟。據(jù)美國《控制工程》報道在1996~2000年間美國用于工廠自動化方面的電動機和傳動裝置的總費用約45億美元，其中采用變頻器控制三相異步電動機的約占52.8%，且呈逐年上升趨勢。

        對變頻電機的研究，過去主要集中在以下幾個方面：一是由于變頻器的供電，電機諧波分量增加，溫升提高，因此應(yīng)根據(jù)負載的情況，如何匹配電機的功率；而是對于調(diào)速范圍較寬的應(yīng)用，要考慮低速時風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低造成的電機自身散熱能力的下降，因此應(yīng)在結(jié)構(gòu)上外置一獨立的風(fēng)扇，使其在低速時保持足夠的散熱風(fēng)量，另外對于諧波引起的電機噪聲的增加也進行了不少的研究。

        但是隨著變頻器應(yīng)用的日益增多和研究的日益深入，出現(xiàn)了其他更為突出的問題，如電機的絕緣、軸承電流、性能測試等問題，直接影響著電機的設(shè)計、制造、使用和性能。

        電機絕緣問題為解決變頻器供電的電機的絕緣問題，可采用濾波器技術(shù)或采用加強絕緣，但是前者要增加較多的費用，而后者則電機的體積增加較多。目前，美國的Phelps Dodge公司等線纜廠已經(jīng)研制出耐高脈沖電壓的電磁線，這種電磁線采用了新的漆層配方，在漆膜厚度不變的情況下，大大增加了耐壓強度。美國GE公司和Reliance公司等均宣布已生產(chǎn)采用新的電磁線的電機，可適用于IGBT供電的場合。

        軸承電流問題對于較大功率的IGBT變頻器供電的電機（如100kW以上）會發(fā)現(xiàn)運行一段時間后，有些電機軸承磨損嚴重，先是產(chǎn)生不正常噪聲，后至燒毀。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當此高頻分量較大時，軸電流密度可達數(shù)十安培/mm2，軸承電流嚴重。由于軸承的滾道上有可能存在凸出點，旋轉(zhuǎn)時通過該處的軸承電流斷開，從而引起電弧，灼傷金屬表面，大量積累從而引起軸承的損壞。因此對于200馬力以上的電機應(yīng)采用了軸承絕緣技術(shù)等措施以保證電機的可靠運行。

        性能測試問題由于電壓波形中存在著大量的高次諧波，因此測量儀器的選擇和精度問題較為突出。1998年美國Florida大學(xué)對交流調(diào)速系統(tǒng)的研究表明，聲稱精度0.1~0.25的數(shù)字測量儀表，有時測量誤差會高達5~6%，這主要是由于測試儀器采用頻率不夠高造成的。目前，IEC的相關(guān)的實驗標準中已經(jīng)明確規(guī)定了10倍采樣頻率的要求。例如，對于IGBT變頻裝置，若采用20kHz的載波頻率，則測試儀器的采樣頻率至少要達到200kHz，方能保證一定的測量精度。變頻器供電專用電機測試裝置的研究正在展開。