全球机电一体化电机发展状况-凯时网站

        近二十年来，科学技术突飞猛进。随着电力电子技术、计算机技术和控制理论发展，电机调速技术得到迅速发展，使得电机的应用不再局限于工业应用而且在商业及家用设备等各个领域获得更加广泛的应用；而随着新材料如稀土永磁材料nd-fe-b、磁性复合材料的出现，更给电机设计插上翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。这些都极大地丰富了电机理论，拓宽了电机的应用领域，同时也给电机设计和制造工艺提出更高的要求。

一、无刷电机

        近年来，转子采用永磁结构、主电路采用功率器件的无刷直流电机得到了很大的发展，其功率覆盖等级较大。小功率无刷直流电机主要应用于工厂自动化和办公自动化方面，如计算机外设复印机和家用电器中，它正在迅速取代传统的直流电机和异步电机；90年代以来，在高精度的数控设备中相当多的采用了永磁同步无刷电机（交流伺服电机）以取代宽调速的直流伺服电机，特别是在机器人和机械手的驱动中，无刷直流电机的应用相当多。目前全世界机器人的拥有量已经超过100万台，且每年以大于20%的速度增长，这已经成为无刷直流电机的主要应用领域。近年来，采用交流无刷电机代替异步电机作为机床的主轴直接驱动也已成为新的研究和应用热点。大功率无刷直流电机（一般采用晶闸管作为功率器件，习惯上称为无换向器电机）在低速、环境恶劣和有一定调速性能要求的场合有着广泛的应用前景，如钢厂的轧机、水泥窑传动抽水蓄能等。

        目前国外交流伺服电机已经部分形成系列，如德国lens公司，而宝钢引进的轧机流水线电气传动基本采用了无换向器电机实现；日本在电动车的应用中也主要采用了无刷直流电机作为驱动电机，并取得了较好的应用效果。

二、交流变频调速系统及变频电机

        二十年来，电力电子技术发生了革命性的进展。功率元件从70年代的晶闸管（scr），发展到80年代的双极型晶体管（bjt，也称作gtr），到90年代则主要是绝缘栅双极晶体管（igbt）。日本的三菱电机公司已推出2000v/1200a的igbt，欧洲的eupec公司也推出了3300v/1200a的元件，而1200v/600a的igbt模块则已大量生产供应；ir以及fairchild等著名半导体公司生产的ipm模块更为交流调速技术的白色家电（指冰箱、洗衣机和空调器等）以及汽车等领域的应用提供了可能。控制方面也从模拟控制发展到数字控制，从单片机发展到数字信号处理器（dsp）和高级专用集成电路，控制部件功能日益完善，而所需的控制器件和控制器体积日益减小，控制器可靠性日益提高而成本日益降低。例如0.75kw通用变频器的过去的10年间，体积减小到原来的1/10，成本下降了大约40~50%，中小型电机变频调速系统已经发展成熟。据美国《控制工程》报道在1996~2000年间美国用于工厂自动化方面的电动机和传动装置的总费用约45亿美元，其中采用变频器控制三相异步电动机的约占52.8%，且呈逐年上升趋势。

        对变频电机的研究，过去主要集中在以下几个方面：一是由于变频器的供电，电机谐波分量增加，温升提高，因此应根据负载的情况，如何匹配电机的功率；而是对于调速范围较宽的应用，要考虑低速时风扇转速降低造成的电机自身散热能力的下降，因此应在结构上外置一独立的风扇，使其在低速时保持足够的散热风量，另外对于谐波引起的电机噪声的增加也进行了不少的研究。

        但是随着变频器应用的日益增多和研究的日益深入，出现了其他更为突出的问题，如电机的绝缘、轴承电流、性能测试等问题，直接影响着电机的设计、制造、使用和性能。

        电机绝缘问题为解决变频器供电的电机的绝缘问题，可采用滤波器技术或采用加强绝缘，但是前者要增加较多的费用，而后者则电机的体积增加较多。目前，美国的phelps dodge公司等线缆厂已经研制出耐高脉冲电压的电磁线，这种电磁线采用了新的漆层配方，在漆膜厚度不变的情况下，大大增加了耐压强度。美国ge公司和reliance公司等均宣布已生产采用新的电磁线的电机，可适用于igbt供电的场合。

        轴承电流问题对于较大功率的igbt变频器供电的电机（如100kw以上）会发现运行一段时间后，有些电机轴承磨损严重，先是产生不正常噪声，后至烧毁。经研究发现，当此高频分量较大时，轴电流密度可达数十安培/mm2，轴承电流严重。由于轴承的滚道上有可能存在凸出点，旋转时通过该处的轴承电流断开，从而引起电弧，灼伤金属表面，大量积累从而引起轴承的损坏。因此对于200马力以上的电机应采用了轴承绝缘技术等措施以保证电机的可靠运行。

        性能测试问题由于电压波形中存在着大量的高次谐波，因此测量仪器的选择和精度问题较为突出。1998年美国florida大学对交流调速系统的研究表明，声称精度0.1~0.25的数字测量仪表，有时测量误差会高达5~6%，这主要是由于测试仪器采用频率不够高造成的。目前，iec的相关的实验标准中已经明确规定了10倍采样频率的要求。例如，对于igbt变频装置，若采用20khz的载波频率，则测试仪器的采样频率至少要达到200khz，方能保证一定的测量精度。变频器供电专用电机测试装置的研究正在展开。