低速大轉矩永磁電機技術研究報告剖析

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1、 低速大轉矩稀土永磁同步電動機 技術研究報告 大連鈺霖電器有限公司 2007 年 3 月 低速大轉矩永磁同步電動機技術研究報告 1. 項目背景與研究目的 [1] 項目背景 21 世紀人類面臨的三大難題是：能源危機，環(huán)境污染和人口爆炸。而

2、工程技術界的主題無疑應該是能源危機和環(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、石油機械等需要低速大轉矩傳動的系統(tǒng)， 仍主要采用減速機 -電機的傳統(tǒng)驅動模式。 一方面， 由于減速機齒輪等機械的原因降低了系統(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。近年來出現(xiàn)的機電一體化技術，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 減速機構與電機配合的結構尺寸減小， 仍未跳出減速機 -電動機傳動模式的桎梏，所以其效率和力能密度亦未能令人滿意。 這種傳動模式的主要弊端在于： 減速齒輪

3、效率低，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 機械裝備體積龐大、設備笨重；環(huán)境污染，機械轉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復雜，工藝環(huán)節(jié)多，并且精確度要求嚴格，給機械裝備的加工制造帶來難度和增加了工藝成本。所以，使用低速大轉矩傳動，取消機械減速機，實現(xiàn)無齒輪傳動是時代的要求，發(fā)展的需要。 本項目在國家自然科學基金和遼寧省自然科學基金資助下， 由沈陽工業(yè)大學和大連鈺霖電器有限公司共同研制成功，并在 2005 年獲得遼寧省科技進步二等獎。 [2] 研究目的 在低速大扭矩無齒輪

4、傳動系統(tǒng)中，采用稀土永磁電機取代傳統(tǒng)的異步電動機是各 國專家的共識，其技術關鍵是如何消除電機在低頻時的轉矩脈振問題。 芬蘭學者 J. Salo, T.等人報導了一種新型低速大扭矩內嵌式磁極結構的永磁同步電動機（ PMSM ），對不同轉子磁極結構利用計算和仿真的方法進行了研究，盡管其理論結果可使電機的轉 矩紋波減小至 5%，但其氣隙磁密中仍含有嚴重的齒諧波。 顯然在超低速情況下， 這些齒諧波的存在仍然會產生轉矩脈振。 瑞典的 Nicola Bianchi 等人，采用移動轉子磁極位置的方法消除 PMSM 的轉矩紋波， 僅適用于 8 極以下，且要求電機的轉子要具有足夠磁極擺放空間。

5、德國的 N. Bianchi 等人，利用供電電流波形調制來削弱 PMSM 轉矩紋 波 [3] ，是一種依賴于電機外部控制的方法， 盡管部分地減小了 PMSM 的輸出轉矩紋波， 但由于電機內電勢波形和氣隙磁場諧波的存在， 使電機損耗加大， 影響了電機的效率。瑞士的 P. Lampola 等人，分析了多極低速 PMSM，但其樣機僅局限于 12 極以內的情 況。 綜觀上述文獻報導，其共同之處在于沒有注意到PMSM 在現(xiàn)代正弦波脈寬調制 （SPWM）電源供電情況下， 如何從低速大轉矩傳動系統(tǒng)最佳的角度來研究 PMSM 的分析和設計問題，并且其分析和解決問題的出發(fā)點都是從

6、針對電機的轉矩，而忽視了 產生轉矩脈振的根本原因，即電機內電勢波形的設計和研究。 本項目研究低速大轉矩稀土永磁同步電動機，與電力電子技術、高集成的機電一體化技術一同，組成的電子 -電氣 -機械一體化驅動技術的理論和技術。從低速大轉矩傳動系統(tǒng)最優(yōu)化的角度， 重點解決低速大轉矩稀土永磁同步電動機的最優(yōu)化設計問題；消除低頻轉矩脈動問題；轉子嵌入式磁極結構的漏磁問題。并成功地在工廠大機械無齒輪傳動系統(tǒng)中得到應用。 - 1 - [5] ： 低速大轉矩永磁同步電動機技術研究報告 2. 低速大轉矩稀土永磁同步電機的研制原理

7、 2. 1 SPWM 電源供電下 PMSM 的數(shù)學模型 現(xiàn)代變頻器幾乎全部采用 SPWM 的電壓輸出波形，它是利用標準的正弦波與三角波經調制而成。理論分析和實驗均表明， SPWM 輸出電壓波形中低次諧波之和為零，或者說 SPWM 的輸出電壓是一個標準的正弦波。 將三相 SPWM 的輸出電壓，采用功率不變約束的 dq0 坐標變換后供電給 PMSM 的電壓、磁鏈和電磁轉矩方程，在 dq0 軸坐標系中，寫成空間矢量形式為 cos( e ) cos( e 2 2 ) ) cos( e 3 ud 3

8、uu uq 2 sin( e ) sin( e 2 ) sin( e 2 ) uv uo 3 3 3 1 1 1 uw 2 2 2 （1） us,spwmR1is dΨs j Ψ s dt （2） i s i d ji q （3） s d j q （4） Tem p si s （5） 式

9、中 uu uv uw T 為 SPWM 電源的輸出三相對稱電壓有效值（ V ）； ud u q uo T u T 為 SPWM 電源在 dqo 坐標下的分量，對于三相對稱系統(tǒng) u o 0 ； s, s p w m e  dt 0 是以電弧度計的轉子磁極軸線相對定子 u 相軸線沿氣隙圓周的夾 角， o 為初始位置角， 為定子電角頻率； R1 為電機定子繞組相電阻 ( ) ； i s Ψs 為 dqo 坐標下電流和磁鏈的空間矢量； p

10、 為電機極對數(shù)； Tem 為 PMSM 的電磁轉矩。 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 s 與 - 2 - 低速大轉矩永磁同步電動機技術研究報告 定子磁鏈空間矢量 Ψs 同相，而定子磁鏈與永磁體產生的氣隙磁鏈 f 間的空間電角度為 β，且 i d i s cos （ 6） i q i s sin （ 7） 將（ 6）（ 7）式代入（ 5）可得 Tem p[ f i q ( L d L q )id iq ] （8）

11、 式中 Lq , L d 分別為 PMSM 的直軸和交軸同步電感。 q s iq is d f e id u相 繞組 軸線 u phase axis 圖 1 PMSM 空間矢量圖 由上式可以看出， PMSM 電磁轉矩含有兩個分量，第一項為永磁轉矩，第 2 項磁 阻轉矩。對于 PMSM ，一般 L q Ld ，因此，為充分利用磁阻轉矩，在控制上要使直軸 電流分量為負值，即 90o 。 在采用功率不變約束的坐標變換后， dqo 軸系統(tǒng)中的各量（電壓、電流、磁鏈）等于 uvw 軸系統(tǒng)中各相應量的相

12、有效值的 m 倍，（m 為相數(shù)）。電磁轉矩（ 8）的穩(wěn)態(tài)表達式可為 Tem p （9） [eo i q ( X d X q )i d i q ] 式中 eo 為 dqo 坐標下永磁體磁場在 PMSM 電樞繞組中產生的內電勢， X d , X q 分別為 PMSM 的直軸和交軸同步電抗。 從（ 2）和（ 9）式可見，要消除 PMSM 低頻脈振轉矩脈動，只要能使其內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。當然，若做到了這一點，也就實現(xiàn)了消除低頻轉矩脈振的目的。 2.2 低速大扭矩 PMSM 的設計研究 從

13、電磁感應定律 e Blv 可知，要使電機內電勢波形正弦，其實就是如何使產生內電勢的磁場波形正弦的問題。從電機的基本理論可知，影響磁場波形的因素除電機設 計的共同問題外， 對于 PMSM 可主要可歸納為轉子永磁體結構形式的選??； 主磁極極弧系數(shù)的選擇；電樞繞組的排布方式和定子齒諧波影響的消除等四個方面。 - 3 - 低速大轉矩永磁同步電動機技術研究報告 2.2.1 轉子永磁體結構形式的選取 PMSM 的磁極形式是多種多樣的，按永磁體激勵的方向可分為徑向結構和切向結 構，按安裝形式可以分為外貼式和內置式 ,其基本形式如圖 2 所示。從 SPWM

14、電源與 PMSM 匹配運行所組成的低速大扭矩驅動系統(tǒng)最優(yōu)化觀點出發(fā)，為保證驅動系統(tǒng)有足 夠的線性調節(jié)范圍， SPWM 變頻器額定輸出頻率應盡可能高（一般取 25Hz 以上）；為降低變頻器的成本和損耗，要求變頻器的額定輸出電流要盡可能小。因此，電機在設 計上要采用多極結構， 以降低額定同步轉速； 在大扭矩情況下， 減小電機的額定電流，則必須使每極具有足夠強的激勵磁場。永磁體提供磁場的強度是與其激勵面積直接相 關的，而對于圖 2（ a）（b）所示的徑向磁極結構，要在中小型電機中采用多極是不可能在有限的空間內獲得足夠激勵面積的。 因此，低速大扭矩 PMSM 采用切向磁極結構幾乎是惟

15、一的選擇。 (a) (b) (c) 圖 2 PMSM 轉子磁極的基本形式 (a)徑向外貼式；（ b）徑向內置式；（ c）切向結構。 (a) 對稱隔磁回路； (b)非對稱隔磁回路圖 3 不同轉子隔磁回路永磁體激勵磁場靜態(tài)分布 采用圖 2（c）的切向磁極結構，每極激勵面積是相鄰兩個永磁體槽深方向面積之和?？梢钥朔较蚪Y構在多極時的每極激勵面積不足的缺點，方便地根據(jù)需要通過調整永

16、磁體槽深來選擇激勵面積的大小。但由此帶來的問題是，如何通過合理的轉子隔 磁回路設計，減小永磁體的底部漏磁問題。圖 3 是利用有限元分析，得出的不同轉子 隔磁回路結構時，由永磁體激勵的磁場靜態(tài)分布情況。圖 3 是在永磁體尺寸相同，僅 改變轉子隔磁回路結構的情況下得到。盡管圖 3（ a）具有對稱的機械結構，轉子沖片 便于利用單沖的方式加工，但由于機械連接與強度的需要，磁極與極軛的連接部分， 使永磁體產生的磁通近 1/3 從該部分漏掉，嚴重降低了永磁材料的利用率。圖 3（ b） - 4 - 低速大轉矩永磁同步電動機技術研究報告 是將

17、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）的同極相斥原理，達到提高永磁材料利用率的目的。從圖 3（ b）可見，永磁體底部漏磁 幾乎完全消除，僅剩的漏磁是由于定子采用分數(shù)槽引起的不對稱所置。圖 3 結果意味 著，在永磁體尺寸相同的情況下， （b）較（ a）的永磁材料利用率提高了 1/3。 2.2.2 主磁極極弧系數(shù)的選擇 在同步電機的設計中，極弧系數(shù)的選取對電機電樞繞組內電勢波形以及電機出力 大小有著重要的影響。 在低速大扭矩驅動系統(tǒng)中， 采用 PMSM 的優(yōu)點之一是可以通過選擇適當?shù)臉O弧系數(shù)來消除某次諧波對電樞繞組內電勢波形的影

18、響。根據(jù)電機理論， 圖 2-a 所示矩形波磁密分布用 Fourier 級數(shù)分解成空間各次諧波的數(shù)學表達式為 4Bm 1 （ 10） B( e ) sin k e k 1 k 式中B m 氣隙磁密的幅值（ T）; k 為奇數(shù)。 若通過適當?shù)卣{整漏磁的大小和選擇合適的極弧系數(shù)，使氣隙磁密的波形呈圖 2-b 所 示的準梯形波分布時，則用 Fourier 級數(shù)分解成空間各次諧波的數(shù)學表達式變?yōu)? 4Bm sin k （11） B( e ) k 2 sin k e

19、 k 1 式中 是主磁極極弧短距角的一半（ 0 ）。 比較式（ 10）和（ 11），式（ 11）是式（ 10）的 sin k / k 倍，這意味著對于基波的 削弱僅為 sin / 倍，在 / 6 時其值近似為 1；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 來消除某一特定的諧波。 B e B m e a. 氣隙磁場為矩形波 a. Gap flux density rectangle B 1 B e BmB7 e B

20、5 b. 氣隙磁場為準梯形波 b. Gap flux density quasi trapezoid 圖 4 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 從電機理論可知，能被 3 整除的奇次諧波可以通過三相對稱繞組的聯(lián)接消除，在電機的設計中一般最關心的是 5 次和 7 次諧波的消弱。因此，理想的選擇是 ~ （12） 5 7 2.2.3 電樞繞組的排布方式 - 5 - 低速大轉矩永磁同步電動機技術研究報告 在一般的交流電機設計中， 可以通過電機定子繞組的分布和短距來消除諧波。 但在采用了多極的低速中小

21、型電機中，已經不可能有足夠的電樞繞組槽，來供分布使用。 采用整距集中繞組顯然對電樞繞組內電勢波形正弦化不利。因此，采用分數(shù)槽繞組幾乎是惟一的選擇。根據(jù)電機設計基本理論 [7] ，分數(shù)槽繞組不但可以有效地消弱電樞繞組內電勢中的高次諧波，而且對于 X 2mq 1 （13） 式中 X 齒諧波電勢的次數(shù) m 電樞繞組的相數(shù) q 電樞繞組每極每相槽數(shù) 次的齒諧波同樣有消除作用。從提高繞組利用系數(shù)和消除主要次諧波的觀點出發(fā)，分數(shù)槽繞組的實際線圈跨距應該采用（ 14）式取整短距的方法確定。 y1 Q （14） 2 p 式

22、中 Q 電樞繞組的槽數(shù)； p 為電機極對數(shù)。 2.2.4 齒諧波影響的消除 在低速大扭矩驅動系統(tǒng)中， 氣隙齒諧波磁場對低頻轉矩脈動的影響顯得尤為突出，必須徹底消除。 在異步電動機中，通常采用轉子斜槽的方法來消除齒諧波的影響。在 PMSM 中，可以通過采用分數(shù)槽電樞繞組來部分地消除齒諧波的影響。但要徹底消除齒諧波可能 造成的低頻轉矩脈動和電磁噪聲， 仍有必要采用斜槽方式。 由于 PMSM 為了降低永磁體的造價，一般是規(guī)則的長方體，采用轉子斜槽會給永磁體安裝帶來不必要的麻煩。 因此，只有采用定子斜槽的工藝。理論分析表明，斜一個定子槽就可以消除齒諧波。 但考

23、慮到 PMSM 的極弧系數(shù)一般較異步電動機的小， 磁極的邊緣效應也要比異步電動機的強，所以理想的斜槽數(shù)應該是 ( 1) （ 15） p 式中 定子槽兩端沿氣隙圓周扭轉的弧長； 定子槽沿氣隙圓周的槽距弧長。 2.3 技術質量指標 稀土高效永磁電機功率等級和安裝尺寸符合 1EC 標準，其對應關系與國際上較有影響的德國西門子 D1N42673 標準一致，也與 Y 系列電機一致，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市場上逐步取代進口電機。 1、絕緣等級 稀土高效永磁電機采用 F 級絕緣，溫升按 B 級考核，提高了永磁電機可靠

24、性。由于采用了 F 級絕緣，在設計時有足夠的溫升裕度，有利于發(fā)電機在使用環(huán)境十分惡劣情況下保證正常運轉，增加了發(fā)電機運轉的可靠性。 2、防護等級 稀土高效永磁電機通過對結構的改進 （適當增加端蓋與轉軸配合面的長度， 在軸 - 6 - 低速大轉矩永磁同步電動機技術研究報告 承外蓋與轉軸的配合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)電機的使用可靠性。 3、噪聲和振動 稀土高效永磁電機通過在電磁和結構上的各種措施改進， 如選擇適當?shù)牟叟浜虾筒坌倍龋黾訖C座和端蓋的剛度，提高端蓋軸承室和轉軸軸承檔加工精度，改進風扇

25、 和風罩的結構等，使稀土高效永磁電機的噪聲和振動得到有效控制。 4、性能要求 永磁電機性能 額 定 輸 出 量 參數(shù)（％） 1/4 1/2 3/4 4/4 5/4 η設計值 91.0 93.5+ 94.5+ 94.0+ 93.5 η最小值 — 92.5 93.0 92.5 — cosφ設計值 0.50 0.73+ 0.81+ 0.84+ 0.85 cosφ最小值 — 0.69 0.77 0.80 — 5、電機性能對比

26、 滿載效率 堵轉轉矩 /額定 牽入轉矩 /額定轉 轉矩 矩 低速大轉矩 83.5 >3 >0.8 Y2-250-6 一般永磁電機 80 1.8 0.5 2.4 結論 在低速大扭矩驅動系統(tǒng)中，采用 SPWM 供電下的 PMSM 驅動模式，與傳統(tǒng)的電機 -減速機模 式相比具有明顯的優(yōu)勢，在驅動系統(tǒng)的傳輸性能方面可以實現(xiàn)高效高力能密度；在控制性能方面， 可以實現(xiàn)最

27、佳負載角控制。要消除低頻轉矩脈動的影響，在低速大扭矩 PMSM 的設計中，必須使 電樞內電勢的波形正弦化。實現(xiàn)內電勢波形正弦化的四個要點是： [1] 采用切向磁極結構，并合理 地調節(jié)漏磁的大??； [2] 合理選擇主磁極極弧系數(shù)； [3] 定子采用分數(shù)槽繞組； [4] 定子斜槽。 3. 與國外同類技術比較 目前，低速大轉矩永磁同步電動機主要應用在無齒輪電梯的曳引傳動中。 在該技術領域中，代表當代國際先進水平的產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相同規(guī) 格產品（額

28、定轉矩： 580Nm，額定轉速： 163rpm，額定功率： 10Kw）的綜合對比如下 表 1 所示。 從對比可見，本項技術成果在性能和價格方面都比當代國際先進水平有優(yōu)勢 公司 效率 功率因數(shù) 最低允許頻率 重量 噪音 價格 Hz Kg dB 萬元 日本安川 0.9 0.89 2 750 <60 4.8 德國威特 0.9 0.9 2.5 760 <60 5.2 沈陽鈺霖 0.91 0.92 0.2 770 <58 2.3 - 7 - 低速大轉矩永

29、磁同步電動機技術研究報告 4. 成果的創(chuàng)造性、先進性 成果的創(chuàng)造性主要體現(xiàn)在： [1] 在低速大轉矩無齒輪傳動中，消除了低頻轉矩脈動。使電機保持平穩(wěn)運行的最低頻率下降至 0.2Hz，是日本技術的十分之一。 [2] 有效地消除了電機中的磁場諧波，使電機內電勢的波形畸變率低于 2%，比國家要求的電網波形畸變率 5%指標低 3 個百分點。 [3] 由于采用了基于人工智能的電子 -電氣 -機械一體化設計， 使電機從系統(tǒng)全局最優(yōu)化觀點設計，所以效率和功率因數(shù)略高于日本和德國的水平。 先進性體現(xiàn)在： [1] 理論上，利用電子 -電氣 -機械一體

30、化最優(yōu)觀點進行系統(tǒng)設計，突破了傳統(tǒng)的三個學科界限。 [2] 產品的整體性能達到或超過了國外先進水平， 效率高 1 個百分點，功率因數(shù)高 2 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 是國外先進水平的 2 倍以上。 5. 作用意義（直接經濟效益和社會意義） 大力應用新型永磁材料，將我國資源優(yōu)勢轉化為產業(yè)優(yōu)勢，能帶動高新技術產業(yè)及相關產業(yè)的迅速發(fā)展，形成國民經濟新的增長點。因此，高效稀土永磁電動機是一種市場看好，應用潛力巨大的產業(yè)。 高效稀土永磁同步電動機是一種高效節(jié)能產品，平均節(jié)能率高達 25%以上，部分專用電

31、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，發(fā)展的需要。我國開發(fā) 的高效低速大轉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)五六十年代的老設備約占 1/3，其本身運行效率只有 30— 40%，系統(tǒng)運行效率大約為 20%。齒輪箱年維修費用大，若采用低速大轉矩稀土永磁同步電 動機，電機的成本將增加 40%，而運行效率可提高 50—65%，如果這些電機更新?lián)Q代沒那么將有一個很大的市場空間。 6. 推廣應用的范圍、條件和前景以及存在的問題和改進意見 稀

32、土永磁材料的開發(fā)的稀土電機具有中國特色，不僅居世界先進水平，而且在大功率超高效率等方面居國際領先地位。我國稀土電機的技術水平超過美國和歐洲國家對電機產品的節(jié)能認證標準，且我國電機生產廠家眾多，忠孝機電產品戶口較多。我國開發(fā)稀土電機具有技術、市場兩方面的有利因素，競爭優(yōu)勢明顯。 目前，全國每年生產各種電機約 3600 萬千瓦，稀土永磁電機在新年息產業(yè)、 機電一體化、汽車、摩托車、冶金礦山設備、風機，水泵等都有廣泛應用前景。如每年使 用釹鐵硼磁體 600~800 噸，生產 300 萬千瓦稀土永磁電機，產值 6 億元，可為國家節(jié)省電力投資 6 億元，節(jié)省電費 2 億元。 我國 50

33、 年代至 60 年代車生產的 J,J0 系列電機、體積大、絕緣性能差，效率低，據(jù)統(tǒng)計還具有總裝機容量的 10%~15%，即達 3000~4500萬千瓦。 60 年代至 70 年代推廣的 J2、 J02 系列電機，起動性能差，效率也較低，這類產品約占 60%~70%，即達 2 億千瓦左右， 如用稀土永磁電機代替， 每年更新 3000 萬千瓦，每年可增產值 60 億元，可是幾百個電機廠從停產、半停產困境中擺脫出來。 - 8 - 低速大轉矩永磁同步電動機技術研究報告 所以本產品市場發(fā)展?jié)摿薮蟆? 項目建成后達產年可實現(xiàn)銷售收入 6023 萬元，出口創(chuàng)匯 3

34、00 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%，投資回收期為 3.68 年，項目具有較好的收益及投資回收能力。 參考文獻 [1] J. Salo, T. Heikkil ?, and J. Pyrh ?nen, “ NewLow-Speed High-Torque Permanent Magnet Synchronous Machine With Buried Magnets, ”Proceedings of ICEM’ 2000 28-30 August Espoo

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