1、現(xiàn)代電機技術(shù)及其應用黃蘇融（上海大學自動化系200072, email: srhua .c n）摘 要：傳統(tǒng)的交流電機設計思想是約束在正弦波電壓源供電與徑向磁場結(jié)構(gòu)基礎上。然而,電力電子逆變器與電機的結(jié)合，以及開關(guān)磁阻電機、 無刷直流電機、軸向磁場電機和橫向磁場電機的出現(xiàn)則打破了這一傳統(tǒng)理念，促使電機設計技術(shù)新的變革和創(chuàng)新，導致了逆變器供電電機。逆變器供電電機的設計則建立在電機本體和逆變器的最佳融合以及與電子驅(qū)動負載 轉(zhuǎn)矩特性的配合上。本文論述了現(xiàn)代電機技術(shù)的主要發(fā)展過程、現(xiàn)狀與近期的研究熱點。關(guān)鍵詞：逆變器供電電機 汽車線控電子化 現(xiàn)代電機設計 1引言電機設計是傳統(tǒng)電

2、氣工程的一個重要分支，早在二十世紀二十年代至二十世紀三十年代初期，異步電機、同步電機等傳統(tǒng)電機設計技術(shù)的研究已達到頂峰。在被稱之為電機設計技術(shù)研究的第一個黃金年代的這一時期1，幾乎所有的交流電機設計被約束在正弦波電壓源供電基礎上，這就不可避免地導致傳統(tǒng)的異步電機和同步電機必須采用正弦分布的定子繞組 以最佳匹配正弦波電壓源供電。電力電子變換器的發(fā)展，給電機設計研究者提供了打破正弦波電壓源供電約束的可能性；然而，在相當長的一段時期內(nèi)，交流電機設計仍然被束縛在正弦波逆變器電壓源供電基礎上。二十世紀七十年代， 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電流控制型逆變器首先在異步電機驅(qū)動系統(tǒng)中成功應用。開關(guān)磁阻電機研究熱

3、的興起和無刷直流方波電機理論的不斷完善，促使電機設計理念產(chǎn)生新的變革和創(chuàng)新。于是，電機研究者開始探索思考：難道三相仍是交流電機的最佳相數(shù)嗎？正弦波電壓源仍是電機的最好波形嗎？甚至徑 向氣隙磁場結(jié)構(gòu)是電機的唯一結(jié)構(gòu)嗎？電力電子逆變器與電機的結(jié)合，永磁材料的廣泛應用和新型軟磁鐵芯的不斷出現(xiàn)，導致了電機結(jié)構(gòu)、設計、性能和制造技術(shù)方面的革命，促使逆變器供電電機家族（Converter FedMachi nes）迅速壯大。主要有開關(guān)磁阻電機、雙凸極永磁電機、無刷直流永磁電機、無刷永 磁同步電機、軸向磁場電機、橫向磁場電機和具有磁場控制能力的永磁電機等。八十年代初期發(fā)展至今的逆變器供電電機技術(shù)被稱之為電機

4、設計的第二個黃金年代1。現(xiàn)代電機設計是建立在逆變器供電電機基礎上，典型的逆變器供電電機驅(qū)動系統(tǒng)如圖1所示。當今，電流控制型電壓源PWM逆變器（CRPWM）已成為高性能電機控制器的基本部分；逆變器供電電機的設計和系統(tǒng)性能仿真被建立在電機本體和逆變器的最佳融合以及與電子驅(qū)動負載轉(zhuǎn)矩特性的配合上。現(xiàn)代電機設計技術(shù)的發(fā)展，不僅促進了電機學科不斷向前發(fā)展，而且?guī)恿松逃迷O計軟件的開發(fā)，目前國際電工界公認的設計軟件有An soft, Magsoft和Speed等。An soft軟件已提供了從電機概念設計、自動產(chǎn)生有限元分析和系統(tǒng)仿真模型到深 入分析直至含控制電路、控制算法在內(nèi)的電子驅(qū)動系統(tǒng)仿真。圖1典型的

5、逆變器供電電機驅(qū)動系統(tǒng)2現(xiàn)代電機的幾個研究熱點與發(fā)展趨勢電機與電力驅(qū)動系統(tǒng)是傳統(tǒng)的老學科。近年來，隨著世界軍事技術(shù)革命和工業(yè)電氣自動化的需求以及世界經(jīng)濟一體化發(fā)展的趨勢，推動了新型逆變器供電電機的研究和發(fā)展。當前，高密度、高效率、輕量化的電子驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)已成為軍事裝備的一個技術(shù)制高點。在某些軍事領(lǐng)域，如艦艇、坦克等的內(nèi)燃機動力系統(tǒng)將逐步被小型緊湊的高密度電力驅(qū) 動系統(tǒng)所取代。具有快速響應能力的高密度電力驅(qū)動系統(tǒng)大大提高了坦克等軍用車載的快速 應戰(zhàn)能力。在艦艇推進動力系統(tǒng)中，高密度低噪聲的電力驅(qū)動系統(tǒng)取代體積龐大的內(nèi)燃機動力系統(tǒng)后，不僅提高艦艇的快速應戰(zhàn)能力和隱蔽性，而且小型緊湊的高密度電力驅(qū)

6、動系統(tǒng)便于安置在艦艇的適當位置而不易被對方火力所擊中，使得艦艇推進系統(tǒng)更具有安全性、可靠性2-3。高密度、高效率、輕量化也是各種車輛驅(qū)動系統(tǒng)和航空發(fā)動機一高密度發(fā)電機組的 關(guān)鍵性能指標。近年來，運用航空發(fā)動機一高密度發(fā)電機組技術(shù)開發(fā)的高密度、高效率、輕 量化的備用電源和移動電源在國際市場上供不應求。高密度、低成本、具有寬廣的恒功率調(diào)速范圍的車輛牽引電機的研發(fā)是一個頗有挑戰(zhàn)性和競爭性的課題。高性能、低成本的電子驅(qū)動和電子伺服系統(tǒng)的研發(fā)是國際電工界的一個新 的熱點。為此，促進了內(nèi)置式永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)，具有弱磁結(jié)構(gòu)的永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)、 同步磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)、雙凸極永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電機驅(qū)

7、動系統(tǒng)的深入研究4。汽車線控電子化(X-by-wire)技術(shù)的發(fā)展，給電子驅(qū)動系統(tǒng)和電子伺服系統(tǒng)的發(fā)展帶來了極大的機遇和挑戰(zhàn)，圖2是下一代線控電子化概念汽車模型。線控電子化技術(shù)將汽車各種電子轉(zhuǎn)向、牽引、制動、懸掛等各種獨立的控制系統(tǒng)進行線控電子化連接，實行一體化底盤控制系統(tǒng)。線控電子汽車四輪轉(zhuǎn)向和電子牽引系統(tǒng)采用四個車輪電機及其伺服技術(shù)，可以不需要機械聯(lián)接，每個輪子上都會有一個DSP信號處理器，通過裝在每個輪子上的電機來控制轉(zhuǎn)向和牽引，使汽車四輪轉(zhuǎn)向變得非常容易，靈活性和安全性大大提高。線控制動系統(tǒng)(Elec.Brake-by-wire)直接對車輪進行制動控制與牽引控制，使汽車迅速剎車或減速，

8、防止事故發(fā) 生。圖3是線控電子動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Elec. Power Steering)，在這個系統(tǒng)中不僅削減了相當多的 機械部件，如液壓泵等；而且節(jié)能10%左右。LBD Th JI I.LlfMi 呷WrMnimnl Fam1eIfwi4c Dihh- Open IngCoDllni AJIt -wr-Whnl Orni!QIkIfalLiatrii-WlFV wHh IPiHjr-WfbMlMtfpPW-Mh*Hwt Fwp- CIlHUt*鈿IfKjM-vProvkta* pw.ltxu卜It卜t EAUJ 一Fac-z b. 一a-rc一 b#圖11具有磁場控制能力的 TORUS NS型

9、盤式永磁電機結(jié)構(gòu)#6. 軸向磁通環(huán)形繞組永磁電機的發(fā)展隨著汽車電氣自動化技術(shù)的發(fā)展，低成本、高密度車用電機開發(fā)是車輛電氣自動化產(chǎn)業(yè)面臨的的一個難題。1998年至1999年期間，上海大學和美國威斯康星大學合作開發(fā)了單相 軸向磁通環(huán)形繞組永磁電機，如圖12所示。該電機的特點是，采用鐵氧體磁鋼的聚磁結(jié)構(gòu)既能滿足低成本要求又可改變定子磁極的軸向長度來達到高氣隙磁通密度數(shù)值；環(huán)形定子繞組的最大優(yōu)點是，該繞組匝鏈所有磁極的磁通并且無繞組端部，有利于提高電機密度。 該電機存在的問題是，電機的轉(zhuǎn)矩脈動大、起動性能差。2000年至2001年期間，上海大學和美國威斯康星大學采用軟磁粉末鐵芯開發(fā)了兩相軸 向磁通環(huán)形

10、繞組永磁電機，如圖 11所示。軟磁粉末鐵芯的應用既解決了三維磁路結(jié)構(gòu)電機 的迭片困難又降低了定子鐵芯加工費用， 兩相軸向磁通環(huán)形繞組永磁電機結(jié)構(gòu)有效地降低了電機的轉(zhuǎn)矩脈動和提高起動性能，被建議用作汽車起動電機/發(fā)電機裝置和風機調(diào)速系統(tǒng)。軸向氣隙環(huán)形繞組永磁電機模型軸向氣隙環(huán)形繞組永磁電機樣機徑向氣隙環(huán)形繞組永磁電機樣機徑向氣隙環(huán)形繞組永磁電機模型8#圖12單相軸向磁通環(huán)形繞組永磁電機徑向氣隙環(huán)形繞組永磁電機樣機#圖13兩相軸向磁通環(huán)形繞組永磁電機#7. 結(jié)束語本文論述了現(xiàn)代電機技術(shù)及其應用的發(fā)展。 新一代逆變器供電電機是建立在電機本體和 逆變器的最佳融合以及與電力驅(qū)動負載轉(zhuǎn)矩特性的配合上。參考

11、文獻1. T.A. Lipo and Y . Li, “CFMs-A New Family of Electrical Machines ”, Conf. Rec. IPEC(Japan), April 3-7, 1995, pp.1-8.2. T. A. Lipo, S. Huang and M. Aydin,“ Performance Assessment of Axial Flux Permanent Magnet Motors forLow Noise Applicationsi”na,l RFeport to ONR, Oct 2000.3. S Huang, M. Aydin an

12、d T. A. Lipo,“ Comparison o-sflo(Nttoend and Slotted) Surface Mounted PM Motorsand Axial Flux Motors for Submarine Ship Drives ”T, hird Naval Symposium on Electrical Machines, Philadelphia, Dec. 2000.4. T. A. Lipo, F. Leonardi, J. Luo and S. Huang,“ Selection of 50Kw Electrical Motor for Vehicle Dri

13、vingReport to ANSALDO INC, August 10, 1996.5. S. Chen, C. Namuduri and S. Mir, “ Controller Induced Parasitic Torque Ripples in a PM Synchronous Motor ”, 2000 IEEE-IAS 35 th Annual Meeting.6. S. Huang, M. Aydin and T. A. Lipo,“A Direct to Electrical Machine Performance Evaluation: ToQrquuaelityAsses

14、sment ”, 2001 IEE-EIAS 36th Annual Meeting.7. P.J. Lawrenson, J.M. Stephenson, P.T. Blenkinsop, J. Corda and N.N. Fulton, “Variable Speed Switched Reluctance Motors ”, Proc. IEE, Pt. B. vol. 127, July 1980, pp.253-265.8. T.A. Lipo, Y . Liao and F. Liang, U.S. Patent 5,304,882 “A New Class of Variabl

15、e Reluctance Motors with Permanent Magnet Excitation ”, April 19, 1994.9. Y. Liao, F. Liang and T.A. Lipo, “A Novel Permanent Magnet Motor with Doubly Salient Structure ”, IEEE Trans. On IAS vol. 31 no.5. Sept./Oct. 1995, pp.1069-1078.10. Y. Li and T.A. Lipo, “A Three Phase Doubly Salient Permanent

16、Magnet Motor Capable of Field Weakening ”, IEEE Power Electronics Specialist ?s Conf., June 1995.11. S. Huang, J. Luo, F. Leonardi and T. A. Lipo, ,A general approach to sizing and power density equations for comparison of electrical machines?, IEEE Trans. IA -34, No.1, pp.92-97, 1998.12. A. Shakal,

17、 Y Liao and T.A. Lipo, “A New Permanent Magnet Motor Structure with True Field Weakening ”, Electric Machines and Power Systems, vol.24, No.5, July/August 1996, pp.259-270.13. T. Matsuo, J. Luo, E. P. Hoffman and T. A. Lipo, Self Excited Variable Reluctance Generator, IEEE IASAnnual Meeting, Oct. 19

18、97, pp. 653-660.14. H. Weh, Ten Years of Research In the Field of High Force Density-Transverse Flux Machines, Conf. Rec. of SPEEDAM, Capri Italy, 5-7 June 1996, pp.A3-1 to A3-8.15. A. Mitcham and M. Bolton, “The Transverse Flux Motor: A New Approach to Naval Propulsion ” ,Naval Symposium on Electri

19、cal Machines, Newport, July 28-31, 1997, pp.1-8.16. S. Huang, J. Luo and T. A. Lipo, “ Analysisand evaluation of the transverse flux circumferential current machine ” , Conferecne Record of the 1997 IEEE Industry Applications Society, 32nd IAS Annual Meeting, 1997, pp. 378384.17. A. Masmoudi and A.

20、Elantably, “TFPM Concept Based Hybrid Bus Electric Propulsion Machinery: Pre-Prototyping Design Assessment of Two Major Topologies ”, ICEM 98 proceedings, September 2-4, 1998, pp.1150-1155.18. E. Spooner and B.J. Chalmers, “TORUS, A Toroidal Stator, Permanent Magnet Machine for Small Scale Power Gen

21、eration”, Proc. Int. Conf. Elect. Machines, Aug. 1990, pp.1053-1058.19. C.C. Jensen, F. Profumo and T.A. Lipo, “A Low Loss Permanent Magnet Brushless DC Motor Utilizing Tape Wound Amorphous Iron ”, IEEE Trans. On IAS-28, No.3, May/June 1992, pp.646-651.20. F. Profumo, Z. Zhang and A. Tenconi, “Axial

22、 Fulx Machines Drives: A New Viable Solution for Electric Cars”, IEEE Trans. On Industrial Electronics V ol.44, No.1, Feb. 1997, pp.39-45.21. S. Huang, J. Luo, F. Leonardi and T. A. Lipo, A Comparison of Power Density for Axial Flux Machines Based on the General Purpose Sizing Equation, IEEE Trans.

23、on Energy Conversion, V ol.14, No.2 June 1999, pp. 185-192.22. S. Huang, M. Aydin and T. A. Lipo,“Low Noise and Smooth Torque Propulsion PM Motor: Comparison of(Non- slotted and Slotted) Radial and Axial Flux Topologies”, ACEMP 2001, Kusadasi, Tu-rk2e9y, , June 272001.23. M. Aydin, S. Huang and T. A

24、. Lipo, “ Designand 3D Electromagnetic Field Analysis of Non -slotted and Slotted TORUS Type Axial Flux Surface Mounted Permanent Magnet Disc Machines, ”International Electrical Machines and Drives Conference, 2001, Boston.24. S. Huang, M. Aydin and T. A. Lipo, “ TORUSConcept Machines: Pre-Prototyping Design Assessment for Two Major Topologies ”, 2001 IE-IEAES 36 th Annual Meeting.25. S. Huang, M. Aydin and T. A. Lipo,“ E