浅析电机设计及工艺.doc

浅析电机设计及工艺蒸汽机启动了世纪第一次产业革命以后世纪末到世纪上半叶电机又引发了第二次产业革命使人类进入了电气化时代世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命使生产和消费从工业化向自动化智能化时代转变推动了新一代高性能电机驱动系统与伺服系统的研究与发展世纪伊始世界汽车工业又站在了革命的门槛上虽然汽车工业是推动社会现代化进程的重要动力然而汽车工业的发展也带来了环境污染愈烈和能源消耗过多两大问题而对于我国日益扩大的汽车市场这种危机就更明显据了解年我国进口汽油万吨预计年后将超过亿吨相当于科威特一年的总产量目前世界上空气污染最严重的个城市中有个在中国而国家环保中心预测年汽车尾气排放量将占空气污染源的虽然加剧使用传统内燃机技术发展汽车工业将会给我国的能源安全和环境保护造成巨大的影响为此国家科技部启动了十五电动汽车重大专项高密度高效率宽调速的车辆牵引电机及其控制系统既是电动汽车的心脏又是电动汽车研制的关键技术之一已被列为电动汽车重大专项的共性关键技术课题世纪年代前几乎所有的车辆牵引电机均为直流电机这是因为直流牵引电机具有起步加速牵引力大控制系统较简单等优点直流电机的缺点是有机械换向器当在高速大负载下运行时换向器表面会产生火花所以电机的运转不能太高由于直流电机的换向器需保养又不适合高速运转除小型车外目前一般已不采用近十年来主要发展交流异步电机和无刷永磁电机系统与原有的直流牵引电机系统相比具有明显优势其突出优点是体积小质量轻其比质量为效率高基本免维护调速范围广其研究开发现状和发展趋势如下异步电机驱动系统异步电机其特点是结构简单坚固耐用成本低廉运行可靠低转矩脉动低噪声不需要位置传感器转速极限高异步电机矢量控制调速技术比较成熟使得异步电机驱动系统具有明显的优势因此被较早应用于电动汽车的驱动系统目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品尤其在美国但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代最大缺点是驱动电路复杂成本高相对永磁电机而言异步电机效率和功率密度偏低无刷永磁同步电机驱动系统无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构由于具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围发展前景十分广阔在电动车辆牵引电机中是强有力的竞争者已在国内外多种电动车辆中获得应用内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度而且易于弱磁调速扩大恒功率范围运行内置式永磁同步电机驱动系统的设计理论正在不断完善和继续深入该机结构灵活设计自由度大有望得到高性能适合用作电动汽车高效高密度宽调速牵引驱动这些引起了各大汽车公司同行们的关注特别是获得了日本汽车公司同行的青睐当前美国汽车公司同行在新车型设计中主要采用内置式永磁同步电机表面凸出式永磁同步电机也称为永磁转矩电机相对内置式永磁同步电机而言其弱磁调速范围小功率密度低该结构电机动态响应快并可望得到低转矩脉动适合用作汽车的电子伺服驱动如汽车电子动力方向盘的伺服电机无位置传感器永磁同步电机驱动系统也是当前永磁同步电机驱动系统研究的一个热点将成为永磁同步电机驱动系统的发展趋势之一具有潜在的竞争优势永磁同步电机驱动系统低速时常采用矢量控制高速时用弱磁控制新一代牵引电机驱动系统从世纪年代开关磁阻电机驱动系统问世后打破了传统的电机设计理论和正弦波电压源供电方式并随着磁阻电机永磁电机电力电子技术和计算机技术的发展交流电机驱动系统设计进入一个新的黄金时代新的电机拓朴结构与控制方式层出不究推出了新一代机电一体化电机驱动系统迅猛发展高密度高效率轻量化低成本宽调速牵引电机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点之一开关磁阻电机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固适合于高速运行并且驱动电路简单成本低性能可靠在宽广的转速范围内效率都比较高而且可以方便地实现四象限控制这些特点使开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行是电动车辆中极具有潜力的机种的最大特点是转矩脉动大噪声大此外相对永磁电机而言功率密度和效率偏低另一个缺点是要使用位置传感器增加了结构复杂性降低了可靠性因此无传感器的也是未来的发展趋势之一永磁式开关磁阻电机也称为双凸极永磁电机永磁式开关磁阻电机可采用圆柱形径向磁场结构盘式轴向磁场结构和环形横向磁场结构该电机在磁阻转矩的基础上迭加了永磁转矩永磁转矩的存在有助于提高电机的功率密度和减小转矩脉动以利于它在电动车辆驱动系统中应用转子磁极分割型混合励磁结构同步电机这一概念一提出就引起国际电工界和各大汽车公司研发中心的极大关注转子磁极分割型混合励磁结构同步电机具有磁场控制能力类似直流电机的低速助磁控制和高速弱磁控制符合电动车辆牵引电机低速大力矩和恒功率宽调速的需求目前该电机的研究处于探索阶段电机的机理和设计理论有待于进一步深入研究与完善作为假选的电动车辆牵引电机具有较强的潜在的竞争优势此外正在研发的热点课题还有具有磁场控制能力的永磁同步电机驱动系统车轮电机驱动系统动力传动一体化部件电机减速齿轮传动轴双馈电异步电机驱动系统和双馈电永磁同步电机驱动系统下一代汽车电子伺服系统及其车用伺服电机年美国能源部商务部贸易部国防部环保局宇航局国家科学基金会七个政府部门下美国三个最大的汽车制造公司克莱斯勒福特和通用建立了新一代车辆伙伴关系目标是开发新一代机动车技术以增强美国汽车工业的实力年至年期间美国国家自然科学基金资助美国国家电力电子中心由美国和美国等四所大学组建研发车辆电子动力驱动系统电子伺服控制系统和各种车辆专用模块提高汽车电子电气部件的可靠性降低其成本和抢占车辆电气自动化技术的制高点增强在国际市场的竞争力线控的汽车电子伺服系统在未来将是十分重要的技术该技术可将各种独立的系统如转向制动悬挂等集成到一起由计算机调控使汽车的操纵性安全性以及汽车的总体结构大大改善设计的灵活度也大大增加目前电子动力方向盘和线控刹车已经在一些欧洲车型上被采用在这个系统中已经削减了相当多的机械部件如液压泵等汽车电子伺服技术是具有革命性的技术随着这个技术的使用许多传统的机械部件将会在未来的汽车上消失而越来越多的车用伺服电机将出现在未来的汽车上全球最大的汽车零部件企业一美国德尔福汽车系统公司预计在未来的年内全世界的汽车将逐步采用电子伺服驱动系统如电子动力方向盘和线控刹车伺服驱动系统目前美国德尔福汽车系统公司正在全球范围内寻找年产万台以上的电子动力方向盘的交流伺服电机合作伙伴