电机，是机械能与电能之间转换装置的通称，指依靠电磁感应运行且具有能做相对运动部件的机械、可将电能转换成机械能或将机械能转换成电能的装置。研究电机的学科，则称为电机学。[1]从前的电机只是应用于不同场景下机器上的一个简单零件，简单机械地在机械能和电能之间完成能量转化；而如今经过不断的更新、迭代，当代电机已经发展成为一个能够完成多任务的完整电子机电系统，其功能相比以往也正日益强大。而电机学作为一门学习电机、研究电机到发展电机的学科，其需要更新的内容也不断增加。本文是本人阅读了部分当代电机相关文献、论文专著（见参考资料）后，归纳出的一篇拓展阅读报告，旨在总结部分当代电机的未来发展方向和目前已经取得的成果，从而既对目前电机发展的成果有更深的了解，更拓展了自己对未来电机发展的方向的认识。
当代电机的发展趋势
从有刷电机向无刷电机发展
在过去，因为绝大多数的电力供给都是直流电，所以传统的直流电动机使用率、覆盖率非常高。直流电机因为具有良好的启动、调速性能以及高效率运行等诸多优点，而被广泛运用于国防、工业、航空航天、汽车、家电、机器人、自动化等各个领域。但同时，传统的直流电机都是有刷电机，采用以电刷和换向器用来换向的接触式机械结构，导致电机的寿命较短，且机械摩擦容易产生噪声、电火花与电磁干扰等问题，从而限制了其在某些场合的应用。随着新型半导体技术、微控制器技术和控制理论的快速发展，采用电子换向装置的无刷直流电机既保留了直流电机的突出优点，又有效解决了有刷电机存在的诸多问题，从而形成了有刷电机不能比拟的优势，在实际生活中得到了越来越广泛的应用。
1831年，英国著名物理学家迈克尔·法拉第发现了电磁感应现象，从而为现代电机奠定了基本的理论基础。19世纪40年代以后，随着世界上第一台直流电机的诞生，有刷直流电机技术日趋成熟，其应用领域也越来越广泛，但接触式的机械换向结构也极大地限制了有刷直流电机的应用场合。直到1955年，美国人D. Harrison和Rye首次成功申请了将有刷直流电机的机械电刷替换成晶体管电路进行换向的专利，这标志着现代无刷直流电机的诞生。[2]但是，此时的无刷直流电机无法实现电机的自起动，而且晶体管的功耗很大。经过不断的研究改进，1962年人们制造出了使用霍尔传感器检测转子位置的装置进行电子换向的无刷直流电动机，开启了无刷直流电机技术的新篇章。1978年联邦德国Mannesmann公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出MAC无刷直流电机及其驱动系统，标志着无刷直流电机真正进入产品化实用阶段。[3]随着电力电子、微控制器、控制理论、永磁材料等行业的迅速发展，无刷直流电机的应用领域不断扩大，覆盖军事、航天、工业、汽车、民用、家电、办公等行业领域。在未来无刷直流电机也将逐渐成为主要推广使用的电机，并逐渐取代有刷直流电机等其他电机。
近年来，随着人们对无刷直流电机的广泛使用和深入研究，无刷直流电机的相关理论也日臻完善。我国对无刷的研究起步虽然很晚，但经过二三十年的发展已经逐步赶上国际先进水平。目前，无刷直流电机的研究热点主要集中在以下几个方面：
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无位置传感器控制技术
无刷直流电机的无位置传感器控制是指根据电流、电压、反电势等内参数，估算出电机的转子位置。位置检测传感器相比于无位置传感器控制方案，不仅增加了传感器及其安装成本，而且安装精度会对电机的控制性能产生很大影响。无刷直流电机的无位置传感控制技术不仅使系统结构组成更加紧凑简单，还降低了成本，提高了系统的可靠性。但是，无刷直流电动机无位置传感器的控制难度较大，目前只适用于一些小功率、轻负载起动及对动态响应要求不高的场合中。无刷直流电动机的无位置传感器控制具有很大的实用价值，其控制方法还需要进一步的深入研究。
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转矩脉动抑制技术
在无刷直流电机的控制中，受到绕组电感和换向的影响，电机相电流波形在形状和相位上都与反电势波形存在差别，这会给电机带来转矩脉动。由不均匀气隙产生的定位转矩与不同的驱动模式是转矩脉动抑制研究中主要的研究点，通过优化单相无刷直流电机的槽口宽度、最大气隙高度等参数降低定位转矩峰值，可以达到减小转矩脉动的目的。[4]
齿槽效应、涡流效应等现象在无刷直流电机本体结构设计中是不可避免的，因此齿槽转矩也是无刷直流电机脉动抑制研究的重要部分。通常采用斜槽、分数槽的方法对齿槽转矩脉动能起到很好的抑制效果。但是这些方法都并未从根本上消除转矩脉动，因此转矩脉动抑制仍有待于进一步的研究。
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控制策略的研究
为改善直流电机的控制性能，除了电机本体和控制硬件系统的改善，还可以借助各种先进的控制策略。目前国内外学者在无刷直流电机控制策略的研究已经取得了丰硕成果，以PID控制及其多种改进策略为代表的经典控制理论已经被广泛应用于各个领域。但随着在现代工业领域对电机控制性能要求的日益提高，传统的PID控制策略已经无法满足某些控制系统的高精度要求。基于智能控制和现代控制理论的模糊控制、卡尔曼滤波算法、神经网络控制等多种先进控制策略在无刷直流电机的应用虽然不易实现，但都会在发展中得到实际的应用。[5][6]
从机械传动向直接驱动发展
现代的电机通常都是高速运转的，它的速度每分钟能够达到数百至数千转，在这样高的运转速度下进行高低速的变换相对而言比较困难，但很多场景下恰恰需要这样的转换。因此，传统电机通常会通过变速箱、减速器、丝杠、涡轮蜗杆等机械传动配件进行运转速度的转换，但是这样的转换系统的速度提升已经到了极限，高速度带来的问题包括噪音高，摩擦损耗高，能量损失大等等；其在精度上存在间隙、弹性变形等很多影响精度的环节，很多零件制造误差积累起来直接使整机的精度降低。为了在精度上、速度上取得进步，传统的机械传动装置不得不付出更高的制造成本，而且成本的提高和性能的提高不是成比例的。面对这一现实情况，只有使现代电机驱动向直接驱动发展, 才能有效的解决这一问题。
直接驱动技术，即直驱技术，是新型的电机直接和运动执行部分结合，即电机直接驱动机器运转，没有中间的机械传动环节。典型的直接驱动技术的应用包括：以直线电机为核心驱动元件的直线运动部件和以力矩电机为核心驱动元件的回转运动元件。直驱技术被国外工业界称之为现代驱动技术中的先进方法和技术，如今被越来越多地应用到各行业中。作为直驱技术最主要和关键的部分即为直驱式旋转电机（DDR）和直驱式直线电机（DDL），它不是简单的将旋转电机或直线电机搬到系统中去，而是要将这两种电机根据不同的系统和工况进行系统的创新设计。1845年，英国人查尔斯·惠斯登开启了对直线电机的探索，其后历经百余年，直线电机技术理论逐渐发展成熟。1970年后，直线电机进入了独立应用时代，以直线电机为代表的直驱技术快速崛起。2015-2018年，中国直驱市场年平均增长率约为30%，截止2019年，行业内从业企业规模达到100余家。
直驱电机无齿轮，蜗轮蜗杆，同步带，减速器等中间传动部分，直接连接在负载上，提高了系统的刚性
直驱技术作为近十年来世界范围内新兴的传动技术，具有传统传动无法比的优越性。在速度上，直线运动速度可以提升到150米/分钟以上，转台转速可以达到几百转每分，这就意味着生产效率相比传统电机可以提升10倍以上；在精度上，直驱技术可以在设备上轻松地实现几千分之一毫米或角秒级的灵敏度，直驱可以使设备的综合精度提升一倍以上；在设备寿命方面，直驱技术减少了机械传动零件，减少了磨损，提高了设备寿命，还节约了能源；在成本上，直驱技术取消了机械传动，节约的零件的原补充材料和制造成本，从而降低的设备整体的成本。[7]
从大型电机向小型集成发展
现代的工业愈加需要电机的小型化和微型化，尤其是便携式产品对电机的大小提出更高的要求。例如，从电子计算机的发展历程来看，从第一代的ENIAC到台式电脑到笔记本电脑再到iPad、手机的转变生动地体现了人们对于电机的小型化以至于微型化的需求。新型材料和工艺等技术的发展使电机的体积变小、重量更轻，电机控制系统中控制电路、传感器的高度集成以及电机本体和控制器的一体化都会使得整个系统更加简单、可靠。当前，部分直流电机控制系统采用微控制器以实现电机的高性能控制，随着不断的研究与应用，为进一步降低成本，电机的专用控制芯片不断出现，高集成度的电机控制系统将会广泛应用到各个领域，这也是电机未来的发展趋势。
提高电机的集成度、小型化程度，离不开芯片的开发与应用。目前国外的众多半导体厂商,都为电机控制付诸心血开发出了各自系统的专用集成电路芯片,以便满足现今灵活化控制点需求。它们相继推出面向电机的性能优异的微处理器或者运算速度高的数字信号处理器,如美国 ON Semiconductor 和 Motorola 等公司开发的 MC3305、MC3309 无刷直流电机控制芯片和 Micro Linear 公司的 ML4425/4428 无位置传感器控制芯片。[8]这些微处理器的出现,一方面对电机控制系统的性能进行了提升,另一方面使系统结构得到简化。在集成策略上，传统电机控制链路为MCU+预驱动（Pre-Driver）+驱动，现在有方案将预驱动和MCU集成在一起，也有方案将预驱动和驱动集成在一起，在塑封电机等小功率应用中，还出现了链路全集成的解决方案。这些高集成度控制板解决方案，有助于缩小电机体积，增强散热能力，增加电机寿命与可靠性。
从简单控制向智能控制转变
当今社会, 电子信息技术日新月异, 智能化系统渗透到我们生活的方方面面。现代电机不仅为整个机电系统提供动力, 而且对于电机系统有平衡、调节等功能, 而当今社会越来越要求现代电机拥有自我适应、自我更新等功能, 形成具有针对不同任务的个性化服务。而这就是智能化融入到现代电子系统的体现。而现代电机的智能化也需要各种电子理论、智能传感器、高性能材料等的综合运用。
现代电机及驱动装置不仅仅是为了提供动力, 还要实现各种控制, 如转速跟踪、位置控制等, 因此要对电机进行智能控制。传统的控制策略主要有标量控制、矢量控制、直接转矩控制和转子磁场定向控制。90年代以来, 电机智能控制发展迅速。电机智能控制是指在控制理论的基础上, 吸收人工智能、运筹学、计算机科学，使控制系统具有学习和适应能力, 以求得到更高的控制精度和更强鲁棒性。[9]
智能控制的主要方法有自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制、变结构控制和专家系统控制等。智能控制的发展主有两个方向：
- 交叉综合控制技术。现代电机的复杂化以及控制的高精度要求，单一的智能控制策略已经很难满足控制的要求，很多情况下两种或两种以上不同类型的智能控制方法组合一起，取长补短，形成交叉综合的控制技术。
- 优化算法与智能控制策略的组合。开展对电机控制策略的参数选取进行优化研究，发展新型的优化算法，如遗传算法、粒子群算法、蛙跳算法等优化算法，以选取最合适的参数值减少调试时间, 提高控制性能。
当代电机的关键技术
综合仿真与设计技术
电机是机、电、磁、温度等多场耦合、交叉的非线性多变量复杂系统，各种物理参数是相互影响的。例如，温度的变化会影响磁性材料的性能，进而影响电机的输出功率和损耗，再影响电机的温升，因此这是一个复杂的闭环系统。所以，简单、孤立的分析是不够的；进行电机的多场交叉仿真和分析，并在此基础上进行优化设计，有着非常迫切的必要性。在针对电机本体的研究之外，现代电机还包括了驱动器、执行机构等复杂的机电一体化系统，因此综合仿真与设计是必不可少的。[11]
目前我国对电机系统的分析、设计往往还停留在简单的磁路法或经验公式的计算上，仍然需要新的分析设计方法投入到实际应用中来。其中，有限元分析方法作为一种新的电机设计分析方法，正在得到高校和研究院所的大力研究。相比与传统的磁路法,有限元分析在各种电感和漏感的求解，永磁体的处理，铁心损耗的计算等多方面有显著的优势。目前，基于ANSYS、MATLAB、Maxwell等仿真软件可以实现对电机系统设计过程中的有限元分析。
除此之外，在我国的电机系统仿真与设计中，对电机的机械应力、强度、振动、温度场等的分析仍然非常少，因此有必要投入大量的人力和资源展开这方面的深入研究。
高效节能技术
目前，随着环境的变化，节能减排、可持续发展已经是我国经济发展的主要方针，永磁无刷直流电机等电机因其本身所特有的功率较高、效率较高和可控性能良好，在越来越多的行业领域表现优秀。在一些需要功率较大的系统中，要求电机的可靠性能也相对较高，但是在此领域内，例如航空航天、电动汽车或者一些精密医疗设备的仪器,供电系统的能源却非常有限。如何延长供电时间，使能源更高效节能，这个课题的研究非常重要而急迫。[10]因此，首要解决的问题是使电机实现高效驱动控制，实现节能，这是有着非常重要的实际意义。
以无刷直流电机为例，电机在节能控制中一共有两大类方法：在能量固定不变时，一是减少控制系统能量的损耗，如运行逆变电路的损耗和空载运行时电机的损耗；二是提高控制系统能量的利用率，在电动机回馈制动时通过能量的控制方式来提高能量的回馈使用。[12]
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减小能量损耗
当无刷直流电机控制系统能量一定时，一定要提高能量的有效使用率，在电机工作运行时，在一定范围内可通过减小能量损耗，来延长供电时间，进而提高驱动系统的效率。其方法包括减小逆变电路损耗，软开关、同步整流等技术减小逆变电路损耗等。
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减少电机损失
基于整个传动系统,当逆变器电路的效率难以提高,减少电机损耗的方式实现有效控制。电动机损耗主要包括铁损耗、铜损耗和机械损耗在电机的操作。减少的主要方法包括电动机的优化设计和优化控制的效率。电动机的优化设计是减少能量损失从电动机本身。最好的方法是优化电机结构，合理选择永磁材料和改变绕组连接方法。效率优化控制是提高电机运行效率的软件控制，通过优化控制策略，改变驱动模式，可以减少电机的损失。
极端环境下的特种电机技术
对深空、深海、深地等极端环境内资源探测和开发,不仅关系到国家安全和战略利益的保障,还决定了在该领域的话语权。[13]在探测装备中,电机是核心的执行机构,对资源的勘探和开发起到至关重要的作用。
在不同环境下工作的电机都有其特殊性：在深空探测领域,电机工作在大范围温度变化环境；在深海探测中,电机工作在深海高压强环境，内部需要充油平衡压力；在深地勘探中,电机内部不仅要充油,还要面临高温高压强的影响。极端环境下电机会出现新问题，一些在常规环境中本可以忽略的问题也变得尤为重要。电机材料特性随着环境的变化而发生变化，从而引起电机内的物理场发生变化，耦合和非线性问题突出，很难进行准确地计算分析,进而使得电机设计思想和难度增加。因此,电机对环境的适应性对人类探测资源的能力影响很大,同时也存在诸多科学与技术问题需要解决。因此极端环境下的特种电机技术研究能够为深海、深地、深空等极端环境资源探测和开发提供技术支撑，具有重大的工程实际和理论研究意义。
在研究中，极端环境可以分成低温环境、高温环境、高压强环境以及温度与压强耦合环境，其中温度与压强耦合环境涉及的温度大于常温。极端环境的特殊性，使得常规环境下可以忽略不计的问题变得越发突出，其重点要解决的问题包括以下几方面：
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电机电磁材料特性的获取。材料特性是电机设计的基础，电机材料变化规律的获取、特性的描述和模型建立是极端环境电机研究面临的重要问题。极端环境对电机材料特性影响显著，在大范围温度与压强变化环境下电工钢磁性能会出现明显劣化现象,电机材料的导电性能也会发生明显改变。
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极端环境交流永磁电机多物理场耦合计算。极端环境交流永磁电机内涉及应力场、温度场、电磁场以及流体场,场量多、耦合关系复杂，且国内外对极端环境电机多物理场耦合所做的研究甚少。针对大温差和压强范围下基于材料特性的综合物理场模型建立、多物理场耦合关系分析以及多物理场耦合计算的迭代方法规划，都是极端环境交流永磁电机特性分析需要面临的问题。
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极端环境交流永磁电机实验研究。电机实验研究作为检验电机理论分析正确性和测试电机性能的重要手段,一直是电机领域研究的重点。为了实现电机参数的准确测量,而研发得各种各样测量仪器，通常只适合工作在常温常压环境。而极端环境不仅限制了这些仪器的使用，也降低了其可靠性。如何能有效避免现有实验方法存在的缺点和不足，克服极端环境的限制，提出适合极端环境的电机的实验方法至关重要，也是极端环境电机研究中需要面临的关键问题。[14]
参考资料
[1] 电机[EB/OL]. Wikipedia. https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E7%94%B5%E6%9C%BA.
[2] 永磁无刷直流电机转矩脉动控制技术研究[D]. 沈秀风.哈尔滨理工大学, 2009.
[3] 无刷直流电机控制策略的研究[D]. 李运德.广东工业大学, 2011.
[4] 基于Maxwell的单相无刷直流电动机分析与设计[J]. 陈文敏,黄开胜,何良远,杨勇. 微电机, 2013(03).
[5] 基于DSP F2812的无刷直流电机模糊控制系统的设计[D]. 韩彬.江苏大学, 2009.
[6] 单相永磁无刷直流电机控制系统的研究[D]. 候海波.浙江大学, 2017.
[7] 直驱电机应用[EB/OL]. 中国传动网. 2021. https://www.chuandong.com/zt/2021/linear/.
[8] 电动试验车轮毂电机控制器研究[D]. 凡庆. 长安大学, 2017.
[9] 林友杰.无刷双馈电机及其智能控制[D].长沙:湖南大学, 2002.
[10] 现代电机发展方向与关键技术[J].沈建新,方宗喜. 微特电机, 2008(06).
[11] 无刷直流电机高效驱动控制技术研究[D]. 宋哲.南京航空航天大学, 2014.
[12] 无刷直流电机换相转矩波动抑制与无位置传感器控制研究[D]. 王迎发. 天津大学, 2012.
[13] 中国陆上深层油气勘探开发关键技术现状及展望[J]. 姚根顺,伍贤柱,孙赞东等. 天然气地球科学,2017,28(8).
[14] 极端环境交流永磁电机特性研究[D]. 肖利军. 哈尔滨工业大学, 2021.