1、浅谈发展中的电机设计摘要：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 0.5-1.0kg/Kw） 、效率高、基本免维护、调速范围广。本文主要针对电机的发展、驱动系统，以及电磁兼容设计做了探讨。 关键词：电机；驱动系统；电磁兼容设计 Abstract: In the past ten years, the main development of AC asynchronous motor and permanent magnet brushless motor system. Compared with t
2、he original DC traction motor system, has obvious advantages, the advantages of small volume, light weight (compared to the mass of 0.5-1.0kg/Kw), high efficiency, free from maintenance, wide speed range. In this paper, the development of motor drive system, and discusses the design of electromagnet
3、ic compatibility. Key words: motor; drive system; electromagnetic compatibility design 中图分类号:S611 文献标识码：A 文章编号： 1.电机设计的发展 蒸汽机启动了 18 世纪第一次产业革命以后，19 世纪末到 20 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。20 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。 21 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
4、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，2000 年我国进口汽油 7000 万吨，预计2010 年后将超过 1 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 10 个城市中有 7 个在中国，而国家环保中心预测，2010 年汽车尾气排放量将占空气污染源的 64%.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“863”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
5、的关键技术之一，已被列为 863 电动汽车重大专项的共性关键技术课题。20 世纪 80 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。 2.电机的驱动系统 2.1.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
6、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。 2.2 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 a 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
7、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。 2.3 新一代牵引电机驱动系统 从 20 世纪 80 年代开关磁阻电机驱动系
8、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。 SRD 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 SRD 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
9、。SRD 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。 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
10、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。 3.电磁兼容设计 3.1 接地设计 合理的接地是最经济有效的电磁兼容设计技术，是解决 EMI 问题最廉价有效的方法。良好的接地系统并不会增加整车的成本，它既能提高系统的抗扰度，又能够减少干扰发射。对于车内弱电系统来说，接地除了泄放小电流外，还用于设定一个基准电位，避免各种耦合干扰。 3.2 布线设计 电缆易受电磁干扰，同样它也可能成为干扰源。在城轨车辆中 1500V高压回路电缆、电机电缆、制动电阻电缆和辅助逆变器电缆易产
11、生干扰，而 MVB 电缆、PIS 和 ATC 信号电缆容易受到干扰，1lOV 控制电缆既可能受干扰又可能成为干扰源。在城轨车辆布线中应该遵循以下原则： 在城轨车辆布线电缆敷设时，所有的电缆均应按电磁兼容性进行电缆类别分类； 2)属于各个不同电缆种类的电缆应分开放置； 3)输出线和回流线相邻铺设，特别是电源电缆（电机电缆、制动电阻等） ； 4)电缆应尽可能靠近车辆地板放置（封闭的金属电缆管、金属管道等采用导电连接连接到车辆地板） ，以利用其产生的衰减； 5)在各电缆种类的最小间距不能保持的情况下，有必要采用管道、封闭的金属板、管件等达到分开的目的； 6)当属于不同种类的电缆交叉，互相成直角时，不
12、要求有最小间距。3.3 屏蔽设计 用屏蔽体将干扰源包封起来，可防止干扰电磁场通过空间向外传播；反之，用屏蔽体将敏感源包封起来，就可使敏感源免受外界空间电磁场的影响。 在城轨车辆上，屏蔽主要包括敏感设备的屏蔽及电缆的屏蔽。敏感设备的屏蔽主要包括车辆控制单元(vcu)、牵引控制单元(ICU)、智能子站 KLIP 模块等微机网络控制设备的屏蔽。电缆的屏蔽主要包括变压器电缆、辅助设备的电缆、控制电缆、信号电缆、数据传输总线等的屏蔽。对变压器电缆、辅助设备的电缆进行屏蔽的目的在于防止其对敏感设备造成干扰。对信号电缆、数据传输总线电缆等进行屏蔽的目的在于避免使这些电缆受到外界电磁场的干扰。 3.4 车辆电
13、缆屏蔽原则 电缆屏蔽层的接地可以分为单端接地和双端以上接地，除对屏蔽层接地有特殊要求的（如音频线、视频线、传感器电缆等）电缆外，一般采用双端接地且电缆的屏蔽层应可靠接地。对于信号电缆和控制电缆，屏蔽层的覆盖程度应不小于 75%;对于数据传输电缆，屏蔽层的覆盖程度应不小于 90%；对于辅助电缆等，屏蔽层的覆盖程度应不小于 85%。 4.结语 以此为基础，通过控制节点出入度，并且只针对有功潮流进行优化，做好每一个步骤。希望本文可以给大家带来参考。 参考文献 1 余贻鑫，段刚. 基于最短路算法和遗传算法的配电网络重构J. 中国电机工程学报，2000 2 无刷双馈电机的电磁设计特点J. 建筑电气，2007 3 电机设计及工艺J.建筑电气，2010
