低速大轉矩永磁直驅電機的研究現狀

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低速大轉矩永磁直驅電機的研究現狀

電工技術學報 發表於 2020-11-19 09:58:07

轉矩密度是衡量低速大轉矩直驅電機的關鍵指標之一，本文主要從結構特點、應用現狀和科研進展等方面，介紹了真分數槽集中繞組永磁電機、永磁遊標電機、永磁碟式電機、橫向磁通電機和雙定子/雙轉子電機等幾類高轉矩密度低速大轉矩永磁直驅電機。概述了轉矩脈動、氣隙偏心故障、機械強度和溫度場研究等的必要性和方法。基於研究現狀展望未來發展方向，為實現高性能低速大轉矩永磁直驅電機提供參考

低速大轉矩直驅電機沒有嚴格的定義，一般是指轉速低於500r/min、轉矩大於500N·m，用於直接驅動的電機，當轉速低於50r/min為超低速電機。低速大轉矩傳動系統在工業生產、油田開採、風力發電、港口起重和船隻推進等領域有極其廣泛的應用前景。  

  傳統的感應電機加機械減速機構的驅動系統，存在結構複雜、減速機構易磨損、潤滑油滲漏、運行可靠性差、維護成本高以及系統整體效率低等缺點，不符合經濟發展節能環保的要求，採用直驅電機替代傳統的驅動系統成為國內外學者的共識。   感應電機低額定轉速設計時極數較多，勵磁電流增加使功率因數和效率嚴重降低，因此感應電機不適用於低速大轉矩直驅。永磁電機的氣隙磁場由永磁體激勵，不存在勵磁電流，電機極對數可以設計得很高。永磁電機電樞電流中的無功分量很小，定子銅耗減少，相比於感應電機，永磁電機的功率因數和效率更高。另外，永磁電機在很寬的負載變化範圍內能保持良好的性能，因此在低速大轉矩傳動系統中受到廣泛的關注。   低速大轉矩永磁同步電機的體積較大，加工、運輸和安裝困難，嚴重製約其推廣應用和超低速化發展。本文首先分析低速大轉矩直驅電機實現的難點，指出轉矩密度比功率密度更適合作為其主要性能指標。而後，對低速大轉矩直驅電機分類，包括真分數槽集中繞組永磁電機、永磁遊標電機、永磁碟式電機、橫向磁通電機和雙定子/雙轉子電機，系統地介紹了各類電機的結構特點、實際應用和發展趨勢。   此外概述了低速大轉矩永磁直驅電機的轉矩脈動、氣隙偏心故障、機械強度和溫度場的相關研究及分析方法。最後對低速大轉矩永磁直驅電機的未來發展作出展望，提出基於雙定子結構，拓撲結構和設計理論的優化，能夠兼顧轉矩密度和其他主要性能指標的要求。  

展望與總結

本文簡要地概述了低速大轉矩永磁直驅電機的研究現狀，針對當前存在的問題和不足，對未來的研究方向作出以下展望：   1）目前，超低速直驅電機的相關研究較少。對於需要超低速大轉矩傳動的系統，由於電機轉矩密度和功率因數等因素的限制，通常採用低速電機與一級減速機構配合，未能充分發揮直驅電機的優勢。實現超低速直驅具有迫切的市場需求和廣闊的發展前景，探究新型拓撲結構和設計理論，以兼顧轉矩密度和其他性能指標的要求，是低速大轉矩永磁直驅電機的發展方向。   2）低速大轉矩永磁直驅電機在風力發電、新能源汽車等領域得到較為成功的應用，但工礦用低速大轉矩永磁直驅電機的相關研究偏少。低速大轉矩電機通常採用真分數槽集中繞組，最大輸出功率減小導致過載能力不足，不能滿足球磨機、抽油機驅動對高起動轉矩、高過載能力的要求。探究極槽數配合、繞組形式與電機最大輸出功率間對應關係，研發高性能工礦用低速大轉矩直驅電機，以順應國家推進工業節能減排的大潮流。   3）低速大轉矩永磁直驅電機採用多極數與低頻設計時，定子槽數較多，氣隙磁場分布情況複雜、諧波含量豐富。採用常規方法準確計算電機的齒槽轉矩耗時較多，可以構建新型模型改進算法。另外，針對低速大轉矩永磁直驅電機減小轉矩脈動的特殊方法研究較少，可以在高極槽數的優化組合方面考慮。   4）低速大轉矩直驅電機，減小定子軛部厚度可以增大定子槽面積放置更多導線，提高電機效率和過載能力。低速大轉矩永磁直驅電機的輸出轉矩大，對電機機械結構強度的要求高於普通電機。軛部厚度等電機參數的選取需要同時考慮電機性能和機械強度要求，還要避免氣隙偏心等故障。   5）電機轉子開輔助槽（通風孔、散熱道），可能對電機磁路產生影響，磁路不對稱產生額外的磁阻轉矩有助於轉矩密度進一步提高。輔助槽對機械結構的影響也應當被考慮。因此，輔助槽是低速大轉矩永磁直驅電機的重要參數，有待系統且深入地探究。   各類低速大轉矩永磁直驅電機都存在固有不足，高過載能力、超低速的直驅電機尚未得到普遍應用。雙定子結構易與不同類電機結合，發揮各自優勢，同時能夠充分利用電機內部空間，提高轉矩密度和最大輸出功率。優化雙定子電機的拓撲結構和設計理論，是有望實現高性能低速大轉矩永磁直驅電機的一種思路。  

本文針對提高轉矩密度、降低轉矩脈動、氣隙偏心分析、機械強度校核和溫度場分析等關鍵問題，對低速大轉矩永磁直驅電機的研究現狀進行綜述，在此基礎上展望其未來研究發展的方向。目的是借他山之石激發創新思維，推動低速大轉矩永磁直驅電機的相關研究進一步發展，促進其得到更廣泛的應用。

責任編輯：lq

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