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[电机及执行机构驱动]

民用电机技术发展趋势

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snk77|  楼主 | 2021-5-20 16:32 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
近年来,我国民用电机在功率密度、系统集成度、电机最高效率和转速、绕组制造工艺、冷却散热技术等方面持续进步,与国外先进水平并驾齐驱;同时,我国民用电机研究开始延伸至振动噪音和铁磁材料层面,进一步提升驱动电机的设计精度、工艺制造水平以及产品质量。

1.集成化电机系统
电机的轻量化、小型化能够有效节约材料,节约空间,越来越受到用户青睐。采用一体化电驱动总成可省去三相交流电缆和接插件,又大幅度提升系统可靠性;同时,通过将驱动电机与减速器直接集成为通用模块化产品,一方面可以进一步降低总成体积和重量,另一方面通过集成化和精细化的匹配,提升电驱动总成的噪声、振动与声振粗糙度水平。
可靠性一直是用户选择电机的重要考虑因素。电机的寿命更长,结构更加紧凑是高可靠性的体现。电机寿命长短多与温升有非常大的关系,提高电机效率,降低温升,可有效延长电机的使用寿命。直接驱动系统的电机结构更加紧凑,可实现最高的动态性能、精度以及成本效益。由于摒弃了机械传动部件,例如减速器和皮带,从而简化了机械设计,显著提高了可用性,降低了运行成本。

2.低噪音,高精度
随着人类社会生活水平提高,人民对工作生活场所的环境质量要求不断提高,尤其是噪声。电机在转动的过程汇总,机械结构的相互接触而产生噪音,同时电机还存在电磁噪音。可以通过一些方法在一定程度上减少噪声,例如调整负载或驱动电流,避免由于负载过大(过小)引起电机失步(跃步)引起的噪声;采用细分驱动的方式,使电机电流的变化尽量以接近余弦曲线变化,减少由于电流变化引起的输出扭矩的波动带来的噪声。由于电机存在一定的共振区域,在此速度区间使用,将会引起电机共振,产生噪声。因此,对于共振引起的噪声,应避免电机在共振区附近运行;当电机从较低的共振区加速,应尽量快地加速,远离共振区域,减少噪声。电机的两种噪音都与电机的速度平稳有关,因此要尽可能提高电机的速度控制精度,采用更高精度的编码器(每转百万脉冲级),更高采样精度和数据位数、速度更快的DSP,不断将电机系统的指标提高。

3.宽调速范围
提高电机速度可以有效降低电机的体积和重量,因此高转速是驱动电机的重点发展方向,转速提高,电机的调速范围也扩大。调速范围是衡量系统变速能力的指标,目前调速范围有两种表现方式:一是以调速系统实际可以达到的最低转速与最高转速之比表示,如1:100等;二是以最高转速与最低转速的比值(D值)表示,如D=100等,两者的本质相同。


4.高功率密度、高效率电机
目前,功率密度已经成为电机设计的重要设计指标,到2025年,我国纯电动乘用车的电控功率密度需要达到35KW/L。实现方式:总体来看,提高电机功率密度的方法,通常有三种:一是合理优化电机电磁设计包括散热系统、成型绕组、集中式绕组等结构的优化;二是采用高性能的电磁材料;三是适当提高电机的额定转速;四是提高电机的散热能力。扁导线绕组成为提升转矩和功率密度以及效率的主要手段,是面向2020年量产电机的工艺路线重点方向之一。以不断提高材料利用率、不断提升电机与整车工况效率匹配以及提升电机品质和降低成本为主要技术发展方向。基于目前的市场现状估算,全国电动机效能每提高一个百分点,每年可以节约260多亿千瓦电,如果电机系统效率提高5%-8%,每年节约的电量相当于两到三个三峡水库的发电量。足以看出电机节能的市场巨大潜力和重要性,所以电机的高效性必将一直成为电机技术的发展趋势。

5.多电机节能技术,域驱动器
单电机的输出功率有限,单电机系统的电动汽车无法兼顾加速和续航,如果电机的额定功率较大,在正常工况下电机的功率富裕了很多,造成其效率下降,续航里程下降。双电机通过匹配电池和电机功率解决了单电机系统的问题,双电机原则是电池和电机功率匹配,加速过程中,双电机同时工作,总电机功率提高,让电机的峰值功率和电池的峰值功率匹配。平常行驶时,单电机工作,总功率下降,基本和电池额定功率持平。若载荷较小时,前电机工作,载荷较大时,后电机工作,提升能效,兼顾加速和续航,双电机驱动能实现大功率、宽转速范围的目标。多电机运行最好采用模块化电机,关键零部件最大通用化,从而减少零部件开发和采购,验证的时间和成本。在一个平台上开发出不同级别、不同尺寸、不同类型的电机应用产品,适应于自动化大批量生产,降低制造成本,同时便于产品维修或更换。

6.智能化、网络化电机系统
机电一体化、智能化随着科学技术的发展,机电一体化技术得到长足发展,同时,各种**技术也为电机产品注入了新的活力,制造工艺和管理信息化技术通过微电子、计算机、网络技术的应用,国家政策的鼓励、各企业对科技的重视,使新产品开发的周期逐渐缩短,机电一体化、智能化电机(如交流变频调速电机是一种无级调速传动系统)应运而生,调速制造、虚拟制造等先进制造技术推广应用。我国的电机的技术性能水平与发达国家的水平相当。
目前国际上先进的电机系统已集成了诊断、保护、控制、通讯等功能,可实现电机系统的自我诊断、自我保护、自我调速、远程控制等。随着我国装备制造业向高、精、尖方向发展及工业化、信息化两化融合,电机系统智能化发展成为必要趋势。现代交流电机系统都具备参数**、故障自诊断和分析功能,绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能,有的可以自动辨识电机的参数,自动测定编码器零位,有些则能自动进行振动抑止。将电子齿轮、电子凸轮、同步跟踪、插补运动等控制功能和驱动结合在一起,对于伺服电机用户来说,则提供了更好的体验。随着机器安全标准的不断发展,传统的故障诊断和保护技术(问题发生的时候判断原因并采取措施避免故障扩大化)已经落伍,最新的产品嵌入了预测性维护技术,使得人们可以通过Internet及时了解重要技术参数的动态趋势,并采取预防性措施。
将现场总线和工业以太网技术、甚至无线网络技术集成到伺服电机系统当中,已经成为欧洲和美国厂商的常用做法。现代工业局域网发展的重要方向和各种总线标准竞争的焦点就是如何适应高性能运动控制对数据传输实时性、可靠性、同步性的要求。随着国内对大规模分布式控制装置的需求上升,高档数控系统的开发成功,网络化数字伺服的开发已经成为当务之急。模块化不仅指伺服驱动模块、电源模块、再生制动模块、通讯模块之间的组合方式,而且指伺服驱动器内部软件和硬件的模块化和可重用。

7.电机系统新材料、新结构应用
电机系统采用新结构、新工艺是降低产品成本的重要手段。不同类型电机的结构组成各不相同,但电机本体都是由定子、转子、轴承和机壳组成,其主要材料包括钢材(铁芯叠片、驱动轴体)、铜(绕组)、镁铝合金(机壳)、钕铁硼等稀土永磁材料(永磁体)等基本金属。因此,原材料成本和加工成本占据电机成本中的绝大部分。在永磁同步电机中,永磁体组件的成本占整个电机物料成本的 45%左右;在感应电机中,铁芯叠片的成本占电机物料成本的 58%左右。因此,稀土材料、钢材、铜铝等有色金属材料的价格将对电机成本产生最直接的影响。同时,研发新结构电机和采用新工艺也能降低产品的生产成本。在高密度电机控制器方面,上海电驱动联合上海道之,采用芯片双面焊接工艺和电力电子功率组件的直焊互连工艺,研制出峰值功率125kW高密度电机控制器,30s功率密度达到17.5kW/L,10s峰值功率密度达到23.1kW/L。

8.快速低成本电机开发技术
电机快速开发技术:电机CAD优化设计,ANSYS电磁场有限元仿真,并结合铸造CAE技术及3D打印技术进行电机壳体的快速开发。控制器快速开发技术:基于MATLAB开发与仿真的控制系统,模型到DSPACE无缝连接;基于ANSI C的码生成实现从模型到代码的规格一致性;支持在线调试,可以实现通过实验软件到模型下载的控制,在线参数调整和数据显示功能,以实现对控制系统的快速确认。控制器采用MATLAB代码生成可减少相关认证费用。

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