低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機技術(shù)研究報告剖析

低速大轉(zhuǎn)矩稀土永磁同步電動機技術(shù)爭論報告大連鈺霖電器20233月工程背景與爭論目的工程背景21世紀人類面臨的三大難題是：能源危機，環(huán)境污染和人炸。而工程技術(shù)界的主題無疑應(yīng)當是能源危機和環(huán)境污染。目前，在機械裝備制造業(yè)，諸如：機床、重礦機械、建筑機械、電力機械、石油-由于減速機齒輪等機械的緣由降低了系統(tǒng)的整體傳動效率；另一方面，由于減速機的存在使驅(qū)動系統(tǒng)的整體體積較大，或者說系統(tǒng)的傳輸力能密度較低。近年來消滅的機電一體化技術(shù)，雖然在力能密度方面有所提高，但由于其在理論思想方面僅限于機械減速機構(gòu)與電機協(xié)作的構(gòu)造尺寸減小，仍未跳出減速機-電動機傳動模式的桎梏，所以尤其是在需要大減速比的傳動系統(tǒng)，效率更低；功率密度低，機械減速機的存在，使機械裝備體積浩大、設(shè)備笨重；環(huán)境污染，機械轉(zhuǎn)速機不僅存在噪聲污染，同時存在潤滑油造成的環(huán)境污染；機械加工工藝環(huán)節(jié)共時多，加速機齒輪加工工藝簡單，工藝環(huán)節(jié)多，并且準確度要求嚴格，給機械裝備的加工制造帶來難度和增加了工藝本錢。所以，使用低速大轉(zhuǎn)矩傳動，取消機械減速機，實現(xiàn)無齒輪傳動是時代的要求，進展的需要。2023爭論目的在低速大扭矩無齒輪傳動系統(tǒng)中，承受稀土永磁電機取代傳統(tǒng)的異步電動機是各J.Salo,T.等人報導(dǎo)了一種型低速大扭矩內(nèi)嵌式磁極構(gòu)造的永磁同步電動機〔PMSM〕，對不同轉(zhuǎn)子磁極構(gòu)造利用計算和仿真的方法進展了爭論，盡管其理論結(jié)果可使電機的轉(zhuǎn)NicolaBianchi置的方法消退PMSM8磁極擺放空間。德國的N.Bianchi等人，利用供電電流波形調(diào)制來減弱PMSM轉(zhuǎn)矩紋波PMSMP.LampolaPMSM12極以內(nèi)的狀況。綜觀上述文獻報導(dǎo)，其共同之處在于沒有留意到PMSM在現(xiàn)代正弦波脈寬調(diào)制〔SPWM〕PMSM的分析和設(shè)計問題，并且其分析和解決問題的動身點都是從針對電機的轉(zhuǎn)矩，而無視了產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈振的根本緣由，即電機內(nèi)電勢波形的設(shè)計和爭論。本工程爭論低速大轉(zhuǎn)矩稀土永磁同步電動機，與電力電子技術(shù)、高集成的機電一體化技術(shù)一同，組成的電子-電氣-機械一體化驅(qū)動技術(shù)的理論和技術(shù)。從低速大轉(zhuǎn)矩消退低頻轉(zhuǎn)矩脈動問題；轉(zhuǎn)子嵌入式磁極構(gòu)造的漏磁問題。并成功地在工廠大機械無齒輪傳動系統(tǒng)中得到應(yīng)用。低速大轉(zhuǎn)矩稀土永磁同步電機的研制原理1SPWMPMSM的數(shù)學(xué)模型現(xiàn)代變頻器幾乎全部承受SPWM波經(jīng)調(diào)制而成。理論分析和試驗均說明，SPWM輸出電壓波形中低次諧波之和為零，SPWM的輸出電壓是一個標準的正弦波。將三相SPWM的輸出電壓，承受功率不變約束的dq0坐標變換后供電給PMSMcos()cos( 2)cos( 2) u

e e 3

e 3 u d 2 2u

2)uuq 3 e e 3

e 3 v12u 12u1212o1212

u w 〔1〕u〔2〕

s,spwm

Ri1s

sdt si i jis d q〔3〕s

jq〔4〕Tem

pis suv wu uTdq ouv wu uTdq o

uuTSPWM電源的輸出三相對稱電壓有效值；u

SPWM電源在dqou

0；s,spwm o角，o

dt 是以電弧度計的轉(zhuǎn)子磁極軸線相對定子u相軸線沿氣隙圓周的夾e 0為定子電角頻率；R為電機定子繞組相電阻(；1iΨdqo坐標下電流和磁鏈的空間矢量；s sp為電機極對數(shù)；PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩。PMSM的空間矢量圖，如圖1所示。從圖1中可以看出，定子電流空間矢量i與s定子磁鏈空間矢量Ψs

間的空間電角度為β，且i i cos 〔6〕d si i sin 〔7〕q s將〔6〔7〕式代入〔5〕可得T p[ iem fq

(Ld

L)iiq dq

] 〔8〕式中LLq ds

分別為PMSM的直軸和交軸同步電感。qiqis

de fid

uphaseaxis由上式可以看出，PMSM電磁轉(zhuǎn)矩含有兩個重量，第一項為永磁轉(zhuǎn)矩，第2項磁PMSM，一般Lq

L，因此，為充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，在掌握上要使直軸d電流重量為負值，即90o。dqo軸系統(tǒng)中的各量〔電壓、電流、磁鏈〕等m于uvw軸系統(tǒng)中各相應(yīng)量的相有效值的m達式可為

〔m為相數(shù)。電磁轉(zhuǎn)矩8〕的穩(wěn)態(tài)表T p[eiem oq

(Xd

X )iiq dq

] 〔9〕式中eo

為dqo坐標下永磁體磁場在PMSM電樞繞組中產(chǎn)生的內(nèi)電勢，X ,Xd q

分別為PMSM的直軸和交軸同步電抗。從〔2〕和〔9〕式可見，要消退PMSM低頻脈振轉(zhuǎn)矩脈動，只要能使其內(nèi)電勢的波形為標準的正弦波，即可使電流的波形也為正弦波。固然，假設(shè)做到了這一點，也就實現(xiàn)了消退低頻轉(zhuǎn)矩脈振的目的。PMSM的設(shè)計爭論eBlv可知，要使電機內(nèi)電勢波形正弦，其實就是如何使產(chǎn)生內(nèi)電勢的磁場波形正弦的問題。從電機的根本理論可知，影響磁場波形的因素除電機設(shè)PMSM弧系數(shù)的選擇；電樞繞組的排布方式和定子齒諧波影響的消退等四個方面。轉(zhuǎn)子永磁體構(gòu)造形式的選取PMSM的磁極形式是多種多樣的，按永磁體鼓勵的方向可分為徑向構(gòu)造和切向構(gòu)造，按安裝形式可以分為外貼式和內(nèi)置式,其根本形式如圖2所示。從SPWM電源與PMSM匹配運行所組成的低速大扭矩驅(qū)動系統(tǒng)最優(yōu)化觀點動身，為保證驅(qū)動系統(tǒng)有足SPWM變頻器額定輸出頻率應(yīng)盡可能高〔一般取25Hz以上；為降低變頻器的本錢和損耗，要求變頻器的額定輸出電流要盡可能小。因此，電機在設(shè)則必需使每極具有足夠強的鼓勵磁場。永磁體供給磁場的強度是與其鼓勵面積直接相〔〔b〕所示的徑向磁極構(gòu)造，要在中小型電機中承受多極是不行能在有限的空間內(nèi)獲得足夠鼓勵面積的。因此，低速大扭矩PMSM承受切向磁極構(gòu)造幾乎是惟一的選擇。(a)(b)(a)(b)(c)2PMSM轉(zhuǎn)子磁極的根本形式(a)徑向外貼式；〔b〕徑向內(nèi)置式；〔c〕切向構(gòu)造。對稱隔磁回路； (b)非對稱隔磁回路3不同轉(zhuǎn)子隔磁回路永磁體鼓勵磁場靜態(tài)分布和?？梢砸种茝较驑?gòu)造在多極時的每極鼓勵面積缺乏的缺點，便利地依據(jù)需要通過調(diào)整永磁體槽深來選擇鼓勵面積的大小。但由此帶來的問題是，如何通過合理的轉(zhuǎn)子隔3是利用有限元分析，得出的不同轉(zhuǎn)子3是在永磁體尺寸一樣，僅便于利用單沖的方式加工，但由于機械連接與強度的需要，磁極與極軛的連接局部，1/33〔b〕是將永磁體底部的隔磁回路完全置于同一磁極下〔如N極，利用另一磁極S極〕3〔b〕可見，永磁體底部漏磁3結(jié)果意味〔b〕較〔〕1/3。主磁極極弧系數(shù)的選擇在同步電機的設(shè)計中，極弧系數(shù)的選取對電機電樞繞組內(nèi)電勢波形以及電機出力PMSM的優(yōu)點之一是可以通過選擇適當?shù)臉O弧系數(shù)來消退某次諧波對電樞繞組內(nèi)電勢波形的影響。依據(jù)電機理論，2-aFourier級數(shù)分解成空間各次諧波的數(shù)學(xué)表達式為eB()e

Bm 1sink4 k4

e 〔10〕式中氣隙磁密的幅值〔T〕; k為奇數(shù)。2-b所Fourier級數(shù)分解成空間各次諧波的數(shù)學(xué)表達式變?yōu)锽(e

4B)

sinksinkk2 e

〔11〕式中是主磁極極弧短距角的一半〔0。比較式10〕和1，式1〕是式10〕的sin/倍，這意味著對于基波的減弱僅為sin/倍，在/61；而對各次諧波卻減小為〔10〕式的1/k倍。并且完全可以通過令k來消退某一特定的諧波。BBma.氣隙磁場為矩形波GapfluxdensityrectangleB7e氣隙磁場為準梯形波b.Gapfluxdensityquasitrapezoid4氣隙磁場為矩形波和準梯形波時沿氣隙圓周的電弧度分布57次諧波的消弱。因此，抱負的選擇是~5 7

〔12〕電樞繞組的排布方式乎是惟一的選擇。依據(jù)電機設(shè)計根本理論[7]，分數(shù)槽繞組不但可以有效地消弱電樞繞組內(nèi)電勢中的高次諧波，而且對于 2mq1 〔13〕X式中齒諧波電勢的次數(shù)Xm 電樞繞組的相數(shù)q 電樞繞組每極每相槽數(shù)數(shù)槽繞組的實際線圈跨距應(yīng)當承受〔14〕式取整短距的方法確定。y Q 〔14〕1 2p式中Q電樞繞組的槽數(shù)；p為電機極對數(shù)。齒諧波影響的消退必需徹底消退。在異步電動機中，通常承受轉(zhuǎn)子斜槽的方法來消退齒諧波的影響。在PMSM中，可以通過承受分數(shù)槽電樞繞組來局部地消退齒諧波的影響。但要徹底消退齒諧波可能PMSM為了降低永磁體的造價，一般是規(guī)章的長方體，承受轉(zhuǎn)子斜槽會給永磁體安裝帶來不必要的麻煩。因此，只有承受定子斜槽的工藝。理論分析說明，斜一個定子槽就可以消退齒諧波。但考慮到PMSM機的強，所以抱負的斜槽數(shù)應(yīng)當是(1p

) 〔15〕式中 定子槽兩端沿氣隙圓周扭轉(zhuǎn)的弧長；定子槽沿氣隙圓周的槽距弧長。技術(shù)質(zhì)量指標1EC標準，其對應(yīng)關(guān)系與國際上較D1N42673標準全都，也與Y系列電機全都，這樣既有利于稀土永磁電機出口，也有利于稀土永磁電機在國內(nèi)市場上逐步取代進口電機。1、絕緣等級B級考核，提高了永磁電機牢靠性。由于承受了F級絕緣，在設(shè)計時有足夠的溫升裕度，有利于發(fā)電機在使用環(huán)境格外惡劣狀況下保證正常運轉(zhuǎn)，增加了發(fā)電機運轉(zhuǎn)的牢靠性。2、防護等級〔承外蓋與轉(zhuǎn)軸的協(xié)作處增加橡皮密封圈等〕，使發(fā)電機的防護等級提高到1P55，提高了發(fā)電機的使用牢靠性。3、噪聲和振動槽斜度，增加機座和端蓋的剛度，提高端蓋軸承室和轉(zhuǎn)軸軸承檔加工精度，改進風(fēng)扇和風(fēng)罩的構(gòu)造等，使稀土高效永磁電機的噪聲和振動得到有效掌握。4、性能要求永磁電機性能額 定 輸 出 量參數(shù)〔％〕1/41/23/44/45/4η設(shè)計值91.093.5+94.5+94.0+93.5η最小值—92.593.092.5—cosφ設(shè)計值0.500.73+0.81+0.84+0.85cosφ最小值—0.690.770.80—5、電機性能比照結(jié)論

低速大轉(zhuǎn)矩Y2-250-6一般永磁電機

滿載效率83.580

/額定轉(zhuǎn)矩>31.8

牽入轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩>0.80.5在低速大扭矩驅(qū)動系統(tǒng)中，承受SPWMPMSM驅(qū)動模式，與傳統(tǒng)的電機-減速機模式相比具有明顯的優(yōu)勢，在驅(qū)動系統(tǒng)的傳輸性能方面可以實現(xiàn)高效高力能密度；在掌握性能方面，可以實現(xiàn)最正確負載角掌握。要消退低頻轉(zhuǎn)矩脈動的影響，在低速大扭矩PMSM的設(shè)計中，必需使電樞內(nèi)電勢的波形正弦化。實現(xiàn)內(nèi)電勢波形正弦化的四個要點是：[1]承受切向磁極構(gòu)造，并合理地調(diào)整漏磁的大??；[2]合理選擇主磁極極弧系數(shù)；[3]定子承受分數(shù)槽繞組；[4]定子斜槽。與國外同類技術(shù)比較領(lǐng)域中，代表當代國際先進水平的產(chǎn)品是日本和德國的幾家公司，其中在電機方面日本以安川公司，德國以威特公司為代表。本項成果與日本安川和德國威特公司一樣規(guī)1所示。從比照可見，本項技術(shù)成果在性能和價格方面都比當代國際先進水平有優(yōu)勢最低允許頻率重量噪音價格公司日本安川效率0.9功率因數(shù)0.89Hz2Kg750dB<60萬元4.8德國威特760<605.2沈陽鈺霖0.910.920.2770<582.3成果的制造性、先進性成果的制造性主要表達在：0.2Hz，是日本技術(shù)的格外之一。有效地消退了電機中的磁場諧波，使電機內(nèi)電勢的波形畸變率低于2%，比國家5%3個百分點。-電氣-化觀點設(shè)計，所以效率和功率因數(shù)略高于日本和德國的水平。先進性表達在：學(xué)科界限。12個百分點，最低允許頻率優(yōu)越10倍，并且噪音低，價格是國外的48%。因此，性價比2倍以上。作用意義〔直接經(jīng)濟效益和社會意義〕種市場看好，應(yīng)用潛力巨大的產(chǎn)業(yè)。高效稀土永磁同步電動機是一種高效節(jié)能產(chǎn)品，平均節(jié)能率高達25%以上，局部專用電機平均節(jié)電率高達30—40%左右，而且可以做到價格合理。尤其是在低速大轉(zhuǎn)矩傳動中，取消機械減速機，實現(xiàn)無齒輪傳動是時代的要求，進展的需要。我國開發(fā)的高效低速大轉(zhuǎn)矩稀土永磁同步電動機，在國際市場有極強的競爭力。據(jù)電力部門估算，石油，礦山等行業(yè)五六十年月的老設(shè)備約占1/3，其本身運行效率只有30—40%統(tǒng)運行效率大約為20%。齒輪箱年修理費用大，假設(shè)承受低速大轉(zhuǎn)矩稀土永磁同步電動機，電機的本錢將增加40%，而運行效率可提高50—65%，假設(shè)這些電機更換代沒那么將有一個很大的市場空間。推廣應(yīng)用的范圍、條件和前景以及存在的問題和改進意見國開發(fā)稀土電機具有技術(shù)、市場兩方面的有利因素，競爭優(yōu)勢明顯。3600一體化、汽車、摩托車、冶金礦山設(shè)備、風(fēng)機，水泵等都有廣泛應(yīng)用前景。如每年使600~8003006億元，可為國家節(jié)約62億元。5060J,J0系列電機、體積大、絕緣性能差，效率低，10%~15%，即達3000~4500萬千瓦。6070年月推廣的J2、J02系列電機，起動性能差，效率也較低，這類產(chǎn)品約占60%~70%，即達2300060億元，可是幾百個電機廠從停產(chǎn)、半停產(chǎn)逆境中擺脫出來。所以本產(chǎn)品市場進展?jié)摿薮?。工程建成后達產(chǎn)年可實現(xiàn)銷售收入6023萬元，出口創(chuàng)匯300萬美元，利潤總額1531萬元，銷售稅金及附加445萬元，全部投資每部收益率〔稅后〕為41.98%，投資3.68年，工程具有較好的收益及投資回收力量。參考文獻 J.Salo,T.Heikkil?,andJ.Pyrh?nen,“NewLow-SpeedHigh-TorquePermanentMagnetSynchronousMachineWithBuriedMagnets,”ProceedingsofICEM’202328-30AugustEspooFinland,pp.1246-1250.NicolaBianchi,SilverioBolognani,“ReducingTorqueRippleinPMSynchronousMotorbyPole-Shifting”.ProceedingsofICEM’202328-30AugustEspooFinland,pp.1222-1226.N.Bianchi,S.Cervaro,andL.Malesani,“CurrentShapesforMinimizingTorqueRippleinSPMMotors”.ProceedingsofICEM’202328-30AugustEspooFinland,pp.1237-1241.P.Lampola,P.Saransaari,“AnalysisofaMulti-pole,Low-SpeedPermanent-MagnetSynchronousMachine”.ProceedingsofICEM’202328-30AugustEspooFinland,pp.1251-1255MorimotoS.,“ServoDriveSystemandControlCharacteristicsofSalientPolePermanentMagnetSynchronousMotor,”IEEETrans.IA.1993,29(2):338~343.唐任遠等著.現(xiàn)代永磁電機的理論與設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，1997.程福秀，林金銘主編.現(xiàn)代電機設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，1993. 學(xué)報，2023685-90。ZhangBingyi,FengGuihong,WangFengxiang,WangYiquan,WangLifeng.OptimizedDesignofInnerPotentialWaveformofPMSMforLow-Speed&High-TorqueDriveSystems.ProceedingsofPowerCon’2023,Kunming.ZhangBingyi,FengGuihong,WangFengxiang,WangYiquan,WangLifeng.DesignPrinciplesofLow-SpeedHigh-TorquePMSMotorwithSPWMInverterPowerSupply.ProceedingsofCICEM’2023,Shenyang,828~830.ZhangBingyi，Wangyiquan，F(xiàn)engGuihong，SunGuanggui，WangXiaofan.ParameterCalculationofPhaseBeltWindingsforChangeable-PoleMotorsBasedonSlotCurrentAnalysis.ICEMS’2023,Beijing.ZhangBingyi,WangFengxiang,FengGuihong.Auto-variablespeedsystemofhookdrivingmotorforlargetowercrane，ProceedingsofC