0 引 言
众所周知，电子芯片、大规模集成电路、精细化工、生物制药、光伏产业等领域的生产需要在真空环境下完成，并对极限真空度和真空泄漏等方面具有很高的要求[1-2]。传统的真空获得是通过联轴器将离心泵的叶轮与电机相连，采用旋转密封装置，难以做到完全无泄漏。为了克服上述真空泄漏问题，文献[3-4]将电机转子和泵的叶轮固定在同一根转轴，并利用以屏蔽套将电机的转子和定子隔开的真空泵，彻底解决了真空泄漏问题。真空泵驱动电机受到日益广泛的关注。
本文首先分析了真空泵驱动电机的种类及各自的结构特征，比较了其优点与缺点；对真空泵驱动电机的拓扑结构、散热方式、冷却系统和智能控制等关键技术进行了综述。在此基础上，进一步讨论了真空泵驱动电机在特殊工况条件下的控制策略问题。最后对真空泵驱动电机及控制技术的未来研究与发展方向加以展望。
中职学生普遍存在理论学习能力弱、学习主动性差等特点，部分中职院校把课程教学分为理论、实践教学两个部分，在多媒体教室进行理论教学，实践教学则在实训室完成，这种人为地把教学分割成两部分违背了教学规律，不符合中职学生的认知特点。特别是对于实践性较强、与工程联系紧密的课程，教学设计时应该重点考虑如何让学生动手操作，把有关知识和技能融入任务中，让学生在实践中主动学习。
1 真空泵驱动电机类型
1.1 真空泵驱动用屏蔽式感应电机
目前常用真空泵驱动电机是感应电机。这类电机一般由机壳、定子铁心、定子绕组、转子铁心、转子绕组、转轴、轴承和散热风扇等部件组成。交流感应电机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强、调速容易、寿命长及使用、安装、维护方便等优点，但是力能指标偏低，即能耗偏高。
对于需要真空泵与驱动电机一体化以实现更高密封的无油干式真空泵，其驱动电机采用一种屏蔽套密封的专利技术[5]。这种屏蔽式电机的非驱动端无轴伸，无法安装自冷却风扇，冷却系统多为水冷方式。图1所示为泵机一体化结构真空泵用屏蔽式感应电机三维结构示意图[6-7]。
杨译：“Baoyu felt as if ‘Buddha had suddenly shown him the light'. ‘Aiya!' he exclaimed. ‘No wonder our family temple is called Iron Threshold Temple. So that's the origin of the name. Well, cousin,I won't hold you up any longer. I must go and write a reply.'”［5］685
图1 泵机一体化真空泵驱动电机示意图
为了提升感应电机的效率，电机转子绕组采用了铸铜或者铜条焊接结构。真空泵电机冷却水道结构图如图2所示。针对不同冷却水道形式，进行了温度场计算和试验测试[8-9]。结果表明，周向螺旋型水路的水路平滑，水流阻力损失小，但其进、出水口很难设计到电机的同一端，沿轴向产生温度梯度；轴向折返型水道可以把进、出水口设置在电机的同一端，便于散热，不会产生轴向温度梯度，制造工艺简便，结构简单，但需要对水道转弯处采取流线型设计，以降低水压和流速损失。
图2 真空泵电机冷却水道结构图
表1所示为真空泵驱动感应电机绕组温升的仿真计算值和试验值。表1数据满足F级绝缘的技术要求，也说明了轴向折返型冷却水道优于周向螺旋型冷却水道，良好的冷却系统使批量生产的真空泵驱动用感应电机中心高缩小了一个基座号。
表1 真空泵电机绕组温升仿真值与试验值
水道结构温升仿真值/K温升试验值/K周向螺旋型95。598。4轴向折返型85。288。4
类似地，文献[10]分析了真空泵屏蔽式感应电机机壳对流散热问题，通过数值模拟确定了冷却系统结构形式和参数配置，为真空泵屏蔽电机的设计提供了有效的帮助。
1.2 真空泵驱动用永磁高效电机
永磁电机历史悠久，但真正发展是随着近年来高性能永磁材料的出现。与传统电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机，具有力能指标高、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、高效节能等优点[11]，但是成本高，导致价格偏高。
真空泵驱动电机通常均是连续工作制，其力能指标体现了真空泵乃至高端装备的运行成本，近年来备受用户关注。为此，研发了真空泵专用永磁同步电机(PMSM)[12-13]。图3所示为一款真空泵用高效PMSM结构图[14]。
图3 真空泵用高效PMSM结构图
为了节省材料，定子铁心为分块拼接式结构，T型铁心冲片套裁可以提高硅钢片材料的利用率以降低成本；为了缩短定子绕组端部长度，降低用铜量和定子铜损耗，定子绕组设计成分数槽集中绕组形式，可减少端部用铜约40%，铜耗减少25%，效率提高8%。为了降低占PMSM总成本比例较大的永磁转子成本，永磁转子采用了少稀土或者无稀土永磁材料[15-16]。高速电机体积减小，功率密度提高。该真空泵用高效PMSM设计额定转速10 000 r/min，电机体积质量降低约15%～20%，可以实现0～15 000 r/min宽范围无级调速和恒转矩、恒功率切换，满足用户对抽速调节的需求。
1.3 真空泵驱动用开关磁阻电机
现代高端装备用真空泵大多是无油干式真空泵，主流结构形式是泵机一体化趋势。这样就使得驱动电机的转子置于真空中运行，感应电机转子导条和铁心均会发热，PMSM尽管转子铁心发热很少但是永磁体涡流和谐波损耗同样会产生可观的热量。真空环境中，热对流和热传导已经不再是电机转子散热的主要方式，以往普通电机中被忽略不计的热辐射成为真空泵电机转子散热的主要甚至是唯一方式。
减少、抑制和消除转子损耗即发热源是解决真空泵驱动电机转子发热不利影响的根本方法。开关磁阻电机(SRM)转子上既没有绕组导条也没有永磁体，转子上几乎没有损耗，即不会发热。真空泵驱动用SRM结构如图4所示[17]。
水利水电工程是施工建设的重要部分，根据不同的标准与地域合同类型也有所不同，比如：按照计价方式不同可以划分为总价合同、单价合同等。总价合同是根据工程招标要求，按照规定中的工程量与图纸对工程施工总价进行计算，综合考虑其中可能存在的不可抗力因素和承包方要求，确定施工总价。单价合同主要是招标过程中工程量或图纸存在不确定性，不适合采用总价合同，在签订过程中结合设计图纸与工程单价计算进行报价，由招标方出具工程量与设计图，投标方只需要按照自身技术条件与各方标准进行工程量清单编制就可以了。
图4 真空泵用SRM结构图
图4中，数字1代表电机本体部分，数字2代表电机控制电路，A、B、C、D分别是4相正向绕组铁心，A′、B′、C′、D′分别是4相负向绕组铁心，S-S′为定子轴线，R-R′为转子轴线。SRM某相绕组通电时产生的磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，转子铁心的磁阻远小于空气部分，当磁场扭曲时会产生切向磁拉力而使转子转动。图5所示为真空泵驱动用SRM的转矩特性曲线[17]。可见，电机具有较高的起动转矩，进入稳态后转矩仍有较大的波动，转矩波动系数约为30%，对真空泵运行稳定性产生影响。
图5 真空泵用SRM转矩曲线
文献[17]针对0。55 kW真空泵，分别设计了SRM、铸铝转子感应电机、铸铜转子感应电机和表贴式PMSM，并对机壳和转子最高温度进行了分析对比，如表2所示。
表2 真空泵驱动电机关键部件最高温度
电机类型转子温度/℃机壳温度/℃SRM46。445。6铸铝转子感应电机69。363。4铸铜转子感应电机50。549。0表贴式PMSM44。332。0
可见，相同体积和功率等级条件下，SRM优于铸铝转子和铸铜转子感应电机，逊色于PMSM，主要是由于PMSM永磁体对气隙磁场的建立起到了辅助作用，减少了定子电流励磁分量，从而降低了与电流平方成正比的绕组铜耗，进而降低了机壳温度。随着电力电子元器件性能的提高和价格的降低，SRM专用控制器成本会明显降低，使其发展和应用前景广阔。
杨孟庄排闸，孔深15m。闸基主要为第②上层壤土、③层壤土，地层厚度稳定。第②下层壤土，粉粒含量较高，夹砂壤土薄层，土质均匀性较差，7.8～9.7m呈软塑状，埋深较大，一般不影响地基稳定。
1.4 真空泵驱动用同步磁阻电机
如上所述，SRM具有结构简单、运行可靠、成本低廉、转子无损耗等优势，但是其需要专用控制器供电运行，这是其没有得到广泛应用的关键问题。同步磁阻电机有望克服这一弊端。文献[18]针对一款罗茨真空泵驱动用额定功率1。9 kW、额定转速4 800 r/min的同步磁阻电机进行研发，电机基本结构如图6所示。研究表明，随着磁障厚度、磁障层数和转子肋宽的增加，电机输出转矩变大，当转子磁障占空比为 0。55时，电机的综合性能最好。
图6 真空泵用同步磁阻电机结构示意图
利用商业有限元软件对真空泵用同步磁阻电机内部关键部件温度场分布进行分析计算，各部件温度云图如图7所示[18]。
图7 真空泵用同步磁阻电机温度场分布图
可见，当同步磁阻电机处于稳态时，其内部最高温度为 67 ℃，温升约为47 K，符合温升70 K的技术要求，并留有一定安全裕量。
1.5 真空泵驱动用永磁辅助同步磁阻电机
永磁辅助同步磁阻电机是一种多属性电机，其基本原理是基于电磁转矩式：
式中：Tem为电机电磁转矩；m为电机相数；p为电机的极对数；E0为电机的空载反电动势；U为电机的相电压；ω为电机的电角速度；Xd和Xq分别为电机的d、q轴同步电抗；θ为U和E0之间的夹角。
电磁转矩中同时含有第一项励磁转矩和第二项磁阻转矩[19]。当励磁转矩中空载反电动势E0由转子励磁绕组磁场产生时，励磁转矩分量通常比磁阻转矩分量大，该状态即为普通电励磁同步电机；当励磁转矩中空载反电动势E0由转子永磁体磁场产生时，励磁转矩即为永磁转矩，且永磁转矩分量比磁阻转矩分量作用大，该状态即为PMSM；当励磁转矩中空载反电动势E0由转子永磁体磁场产生时，永磁转矩分量比磁阻转矩分量作用小，该状态即为永磁辅助同步磁阻电机[20]。辅助励磁的永磁材料可以使用不含贵重稀土成分的廉价永磁体(如硬磁铁氧体)[21-22]，以降低产生永磁转矩分量的成本，同时弥补同步磁阻电机出力的缺陷，使得真空泵电驱系统性价比更高，益于批量生产和推广应用。
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文献[23]针对真空泵用永磁辅助式同步磁阻电机进行设计与分析，该电机基本结构如图8所示。
图8 真空泵用永磁辅助同步磁阻电机结构示意图
分析研究了极槽配合、磁障结构、永磁辅助方式、永磁和磁阻转矩贡献比例、永磁体辅助槽和磁阻磁障槽的协调与优化、损耗发热和温升以及复合转子应力等关键问题。图9和图10所示为真空泵用永磁辅助式同步磁阻电机关键部件温升与冷却水流量和水道尺寸的关系曲线[23]。可见，电机冷却水流量为3。5 L/min，水道直径为10 mm比较合适，为工程实施提供了科学依据。
图9 永磁辅助同步磁阻电机温升与冷却水流量关系
图10 永磁辅助同步磁阻电机温升与水道尺寸关系
2 真空泵电驱控制系统
2.1 真空泵直排大气快速恢复控制
真空泵由于生产线工艺等原因，会出现直排大气的情况。对于真空泵驱动电机来讲，直排大气就相当于给电机突然增加了一个大负载，可能是额定负载的几倍；受电机过载能力和安全保护的限制，驱动电机会快速减速甚至停机，用户要求在最短时间内真空泵能恢复运行，以保住真空度不受太大影响。
第二，中小型企业自身的原因。一些中小型企业由于对银行的传统交易形式、进口方资金信用以及固定业务往来等了解较少，中小型企业缺乏风险意识。加之，一些中小型企业进入贸易融资市场的时间较短，难以在短时间内掌握基本的国际贸易融资知识，缺乏风险评估的意识。事实上，中小型企业从整体上来看，实力较弱，能力不足，以至于在贸易融资市场中难以站稳脚跟。
文献[24]针对涡旋真空泵驱动电机基于模糊PID控制方法设计开发了真空泵直排大气快速恢复控制系统。图11所示为涡旋真空泵模糊PID控制系统图。表3所示为推导建立的PID 控制系统增益参数模糊规则表。表3中，NB表示负大、NM 表示负中、NS表示负小、ZO表示零、PS表示正小、PM表示正中、PB表示正大。图12所示为模糊PID控制时涡旋真空泵电驱系统受直排大气冲击负载后转速恢复曲线[24]。可见，直排大气失速后的约70 ms即可恢复到之前的转速，比传统控制方式约200 ms的恢复时间缩短了65%。
图11 涡旋真空泵模糊PID控制系统图
图12 模糊PID控制下涡旋真空泵直排大气时转速恢复曲线
表3 真空泵控制系统增益参数模糊规则表
ΔKp/ΔKi/ΔKdeNBNMNSZOPSPMPBecNBPB/NB/PSPB/NB/NSPM/NM/NBPM/NM/NBPS/NS/NBZO/ZO/NMZO/ZO/PSNMPB/NB/PSPB/NB/NSPM/NM/NBPS/NS/NMPS/NS/NMZO/ZO/NSNS/ZO/ZONSPM/NB/ZOPM/NM/NSPM/NS/NMPS/NS/NMZO/ZO/NSNS/PS/NSNS/PS/ZOZOPM/NM/ZOPM/NM/NSPS/NS/NSZO/ZO/NSNS/PS/NSNM/PM/NSNM/PM/ZOPSPS/NM/ZOPS/NS/ZOZO/ZO/ZONS/PS/ZONS/PS/ZONM/PM/ZONM/PB/ZOPMPS/ZO/PBZO/ZO/NSNS/PS/PSNM/PS/PSNM/PM/PSNM/PB/PSNB/PB/PBPBZO/ZO/PBZO/ZO/PMNM/PS/PMNM/PM/PMNM/PM/PSNB/PB/PSNB/PB/PB
文献[25]研究了影响真空泵屏蔽电机在线运行时间的电机温升和负载突变2个因素以及影响机理，提出了提高真空泵电机在线运行时间的控制系统。
文献[26]对1台隔膜真空泵用直线磁阻电机控制系统进行了设计分析，并在此基础上提出了一种基于基波扰动观测器的泵进口压力估算方法。
调研验证阶段是可以初步衡量软件能否达到系统建设目标和满足需求的阶段。根据初步设计成果，可制作成软件模型进行用户试体验。主要关注以下几点：①页面是否简洁，布局是否合理，辨别出常用和少用功能，一次操作过程应在同一页面上完成；②操作流程是否满足用户习惯及规范要求，流程能否正确、简明地显示在页面上；③文字和图形是否简明易懂，报警信息是否准确表达故障地点和原因；④容错性是否完备，在用户误操作的情况下给予提醒和纠错。
2.2 真空泵无传感器带速重投控制
在真空泵受到直排大气等冲击负载时，不希望停机后再重新起动，原因是这样恢复时间会很长。要求在转速还没有降到零的时候就能重新二次上电运行，即带速重投。带速重投需要实时检测电驱系统的转速，以便确定变频器的切入频率。真空泵电驱系统受结构形式的限制，无法安装转速传感器，为带速重投增加了难度[27]。
玉米倒伏病害的防治除了合理种植，还要根据不同玉米品种的差别安排玉米种植密度，同时也要注意钾、氮及磷肥的合理使用，根据当地土地的情况进行适当的补给。此外，为了预防在玉米拔节后氮肥量施加过多，可以将其分为苗期、穗期2次追肥。通过在玉米拔节后期采取一定措施可以有效防治玉米倒伏，在玉米拔节后期也要注意中耕培土的实施，促进玉米根部发育，从而提升玉米植株抗倒伏能力；在玉米拔节后期可以进行植物生长抑制剂的喷施，控制玉米植株高度。
文献[28]基于定子残压，提出定子扇区内的平均转速计算法和轴线角度差计算法，克服了采用传统方法计算结果滞后一个扇区的问题，设计了基于调制波模拟器的无速度传感器带速重投系统，如图13所示。通过软件仿真及22 kW罗茨真空干泵机组试验，验证了计算方法和控制策略的正确性。图14所示为真空泵带速重投时驱动电机的转速和电流恢复曲线[28]。可见，真空泵电驱系统恢复时间在60 ms 以内，重投冲击电流降低了51。27%。
5.增强现实。增强现实是一种实时地计算影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目的是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。网龙网络公司立足海上丝绸之路起点福建，利用增强现实技术促进学员了解“一带一路”。此外该公司还推出了红色福建AR（增强现实）卡片，扫描屏幕中静态的卡片，卡片中的红色人物表演将跃然屏上，与真实场景叠加，带来奇妙的视听感受同时加深学习印象。
高职院校体育教育强身健体实效性不强和全面育人价值提升不足的根源在于高职院校体育的价值导向、体育课程的内容和教学出现了偏差。为了全面发挥体育教育在提高学生身心素质、培养学生思想品德等方面的作用，高职院校的体育教育可以采取以下基本策略，整体设计和实施教育教学活动。
图13 真空干泵屏蔽电机带速重投控制系统框图
图14 真空泵带速重投时电驱系统转速及电流曲线
2.3 真空泵多电机直驱协调控制
罗茨真空泵是一种常用的结构形式[16]。传统罗茨真空泵均采用1∶1比例的齿轮带动彼此反方向同步旋转运动，可以实现两轴同步运转且具有一定的保护作用，防止2个“8”字形泵叶撞到一起。经长期运转后，加工精度再高的齿轮传动也会产生磨损间隙，当齿侧间隙大于转子间最小间隙时，将产生刮蹭或碰撞而发生故障，导致罗茨真空泵损坏[29]。
为了解决上述问题，近期开展了取消1∶1齿轮传动的方式，改用多台电机协调直驱的驱动方式[30]。采用主从控制、并行控制、交叉耦合控制和虚拟电机的交叉耦合控制来实现真空泵驱动电机的协调同步控制。图15所示为罗茨真空泵基于虚拟电机的交叉耦合协调控制系统框图[31]。
图15 罗茨真空泵基于虚拟电机的交叉耦合控制
图16所示为罗茨真空泵基于虚拟电机交叉耦合协调控制时，双驱动电机的转速跟踪特性曲线[32]。可见，这种改进的控制策略具有良好的动态控制效果。
图16 罗茨真空泵双驱动电机跟随性能
3 结 语
本文针对真空泵驱动电机及控制技术的研究现状，介绍了用于真空泵驱动的屏蔽式感应电机、PMSM、SRM、同步磁阻电机和永磁辅助同步磁阻电机的基本结构及智能控制技术等，对各类电机应用范围进行了总结。真空泵驱动电机及控制技术的未来发展趋势如下：
(1) 感应电机结构简单、可靠性高、成本低，但功率密度、效率和功率因数偏低，适用于驱动注重价格的真空泵。
(2) PMSM具有高效率、高功率因数、高功率密度等优点，适用于驱动对真空度要求较高且注重降耗的真空泵。但是，泵机一体化真空泵中，转子热量不易散出，永磁体在高温下易发生不可逆退磁的问题，应该引起供应商和用户的关注。
(3) SRM具有制造工艺简单、耐高温、成本低等特点，但是功率密度偏低，需由专用控制器驱动，且需要通过实时检查转子位置信号构成闭环驱动系统。SRM适用于工作环境温度高的场合。同步磁阻电机可以使用通用变频器供电，以克服SRM控制复杂的缺点，随着其功率密度不断提升，应用会持续增加。
分别称取的空白样品20.00 g，添加适量的树莓酮标准溶液，使其浓度为1.0、2.0和10.0 μg/kg，每个浓度进行6样本分析，结果见表2。本方法的回收率为75.4%～82.3%，相对标准偏差为5.97%～8.40%。
(4) 永磁辅助同步磁阻电机平衡了上述几类电机的优缺点，既拥有良好的性能，又解决了转子散热困难的问题，且成本适中，综合性能最好，被认为是未来高端真空泵驱动电机的发展方向和理想类型。
真空泵屏蔽电机作为真空泵核心部件，未来主要着眼于发掘新型结构电机的优势和潜力，探寻与泵体高度契合的新型结构和适合真空泵运行工况的智能控制系统。
