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新聞動態 國外機電一體化電機發展動向
發布時間:2010.07.03

    近二十年來,科學技術突飛猛進。隨著電力電子技術、計算機技術和控製理論發展,電機調速技術得到迅速發展,使得電機的應用不再局限於工業應用而且在商業及家用設備等各個領域獲得更加廣泛的應用;而隨著新材料如稀土永磁材料Nd-Fe-B、磁性複合材料的出現,更給電機設計插上翅膀,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,拓寬了電機的應用領域,同時也給電機設計和製造工藝提出更高的要求。

交流變頻調速係統及變頻電機
    二十年來,電力電子技術發生了革命性的進展。功率元件從70年代的晶閘管(SCR),發展到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模塊則已大量生產供應;IR以及Fairchild等著名半導體公司生產的IPM模塊更為交流調速技術的白色家電(指冰箱、洗衣機和空調器等)以及汽車等領域的應用提供了可能。控製方麵也從模擬控製發展到數字控製,從單片機發展到數字信號處理器(DSP)和高級專用集成電路,控製部件功能日益完善,而所需的控製器件和控製器體積日益減小,控製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%,中小型電機變頻調速係統已經發展成熟。據美國《控製工程》報道在1996~2000年間美國用於工廠自動化方麵的電動機和傳動裝置的總費用約45億美元,其中采用變頻器控製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麵:一是由於變頻器的供電,電機諧波分量增加,溫升提高,因此應根據負載的情況,如何匹配電機的功率;而是對於調速範圍較寬的應用,要考慮低速時風扇轉速降低造成的電機自身散熱能力的下降,因此應在結構上外置一獨立的風扇,使其在低速時保持足夠的散熱風量,另外對於諧波引起的電機噪聲的增加也進行了不少的研究。

    但是隨著變頻器應用的日益增多和研究的日益深入,出現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計、製造、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,可采用濾波器技術或采用加強絕緣,但是前者要增加較多的費用,而後者則電機的體積增加較多。目前,美國的Phelps Dodge公司等線纜廠已經研製出耐高脈衝電壓的電磁線,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采用新的電磁線的電機,可適用於IGBT供電的場合。

·軸承電流問題對於較大功率的IGBT變頻器供電的電機(如100kW以上)會發現運行一段時間後,有些電機軸承磨損嚴重,先是產生不正常噪聲,後至燒毀。經研究發現,當此高頻分量較大時,軸電流密度可達數十安培/mm2,軸承電流嚴重。由於軸承的滾道上有可能存在凸出點,旋轉時通過該處的軸承電流斷開,從而引起電弧,灼傷金屬表麵,大量積累從而引起軸承的損壞。因此對於200馬力以上的電機應采用了軸承絕緣技術等措施以保證電機的可靠運行。

·性能測試問題由於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大學對交流調速係統的研究表明,聲稱精度0.1~0.25的數字測量儀表,有時測量誤差會高達5~6%,這主要是由於測試儀器采用頻率不夠高造成的。目前,IEC的相關的實驗標準中已經明確規定了10倍采樣頻率的要求。例如,對於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。

無刷電機
    近年來,轉子采用永磁結構、主電路采用功率器件的無刷直流電機得到了很大的發展,其功率覆蓋等級較大。小功率無刷直流電機主要應用於工廠自動化和辦公自動化方麵,如計算機外設複印機和家用電器中,它正在迅速取代傳統的直流電機和異步電機;90年代以來,在高精度的數控設備中相當多的采用了永磁同步無刷電機(交流伺服電機)以取代寬調速的直流伺服電機,特別是在機器人和機械手的驅動中,無刷直流電機的應用相當多。目前全世界機器人的擁有量已經超過100萬台,且每年以大於20%的速度增長,這已經成為無刷直流電機的主要應用領域。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動也已成為新的研究和應用熱點。大功率無刷直流電機(一般采用晶閘管作為功率器件,習慣上稱為無換向器電機)在低速、環境惡劣和有一定調速性能要求的場合有著廣泛的應用前景,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部分形成係列,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;日本在電動車的應用中也主要采用了無刷直流電機作為驅動電機,並取得了較好的應用效果。

 

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