现代电机技术及其应用

1 现代电机技术及其应用黄苏融(上海大学自动化系200072, email: srhuang@yc.shu.edu.cn) 摘要：传统的交流电机设计思想是约束在正弦波电压源供电与径向磁场结构基础上。然而，电力电子逆变器与电机的结合，以及开关磁阻电机、无刷直流电机、 轴向磁场电机和横向磁场电机的出现则打破了这一传统理念，促使电机设计技术新的变革和创新，导致了逆变器供电电机。逆变器供电电机的设计则建立在电机本体和逆变器的最佳融合以及与电子驱动负载转矩特性的配合上。本文论述了现代电机技术的主要发展过程、现状与近期的研究热点。关键词 : 逆变器供电电机汽车线控电子化现代电机设计1 引 言电机设计是传统电气工程的一个重要分支，早在二十世纪二十年代至二十世纪三十年代初期， 异步电机、 同步电机等传统电机设计技术的研究已达到顶峰。在被称之为电机设计技术研究的第一个黄金年代的这一时期[1] ，几乎所有的交流电机设计被约束在正弦波电压源供电基础上， 这就不可避免地导致传统的异步电机和同步电机必须采用正弦分布的定子绕组以最佳匹配正弦波电压源供电。电力电子变换器的发展，给电机设计研究者提供了打破正弦波电压源供电约束的可能性；然而， 在相当长的一段时期内，交流电机设计仍然被束缚在正弦波逆变器电压源供电基础上。二十世纪七十年代，随着电力电子技术的发展，电流控制型逆变器首先在异步电机驱动系统中成功应用。开关磁阻电机研究热的兴起和无刷直流方波电机理论的不断完善，促使电机设计理念产生新的变革和创新。于是， 电机研究者开始探索思考 : 难道三相仍是交流电机的最佳相数吗？正弦波电压源仍是电机的最好波形吗？甚至径向气隙磁场结构是电机的唯一结构吗？电力电子逆变器与电机的结合，永磁材料的广泛应用和新型软磁铁芯的不断出现，导致了电机结构、设计、性能和制造技术方面的革命，促使逆变器供电电机家族(Converter Fed Machines) 迅速壮大。主要有开关磁阻电机、双凸极永磁电机、无刷直流永磁电机、无刷永磁同步电机、 轴向磁场电机、 横向磁场电机和具有磁场控制能力的永磁电机等。八十年代初期发展至今的逆变器供电电机技术被称之为电机设计的第二个黄金年代[1] 。现代电机设计是建立在逆变器供电电机基础上，典型的逆变器供电电机驱动系统如图1所示。当今，电流控制型电压源PWM 逆变器 (CRPWM) 已成为高性能电机控制器的基本部分；逆变器供电电机的设计和系统性能仿真被建立在电机本体和逆变...