低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的研究現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)矩密度是衡量低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)電機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，本文主要從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀和科研進(jìn)展等方面，介紹了真分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)、永磁游標(biāo)電機(jī)、永磁盤式電機(jī)、橫向磁通電機(jī)和雙定子/雙轉(zhuǎn)子電機(jī)等幾類高轉(zhuǎn)矩密度低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)。概述了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、氣隙偏心故障、機(jī)械強(qiáng)度和溫度場(chǎng)研究等的必要性和方法。基于研究現(xiàn)狀展望未來發(fā)展方向，為實(shí)現(xiàn)高性能低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)提供參考

低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)電機(jī)沒有嚴(yán)格的定義，一般是指轉(zhuǎn)速低于500r/min、轉(zhuǎn)矩大于500N·m，用于直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于50r/min為超低速電機(jī)。低速大轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、油田開采、風(fēng)力發(fā)電、港口起重和船只推進(jìn)等領(lǐng)域有極其廣泛的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)加機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、減速機(jī)構(gòu)易磨損、潤滑油滲漏、運(yùn)行可靠性差、維護(hù)成本高以及系統(tǒng)整體效率低等缺點(diǎn)，不符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展節(jié)能環(huán)保的要求，采用直驅(qū)電機(jī)替代傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為國內(nèi)外學(xué)者的共識(shí)。 感應(yīng)電機(jī)低額定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)時(shí)極數(shù)較多，勵(lì)磁電流增加使功率因數(shù)和效率嚴(yán)重降低，因此感應(yīng)電機(jī)不適用于低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)。永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)由永磁體激勵(lì)，不存在勵(lì)磁電流，電機(jī)極對(duì)數(shù)可以設(shè)計(jì)得很高。永磁電機(jī)電樞電流中的無功分量很小，定子銅耗減少，相比于感應(yīng)電機(jī)，永磁電機(jī)的功率因數(shù)和效率更高。另外，永磁電機(jī)在很寬的負(fù)載變化范圍內(nèi)能保持良好的性能，因此在低速大轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)系統(tǒng)中受到廣泛的關(guān)注。 低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)的體積較大，加工、運(yùn)輸和安裝困難，嚴(yán)重制約其推廣應(yīng)用和超低速化發(fā)展。本文首先分析低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，指出轉(zhuǎn)矩密度比功率密度更適合作為其主要性能指標(biāo)。而后，對(duì)低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)電機(jī)分類，包括真分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)、永磁游標(biāo)電機(jī)、永磁盤式電機(jī)、橫向磁通電機(jī)和雙定子/雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，系統(tǒng)地介紹了各類電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。 此外概述了低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、氣隙偏心故障、機(jī)械強(qiáng)度和溫度場(chǎng)的相關(guān)研究及分析方法。最后對(duì)低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的未來發(fā)展作出展望，提出基于雙定子結(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理論的優(yōu)化，能夠兼顧轉(zhuǎn)矩密度和其他主要性能指標(biāo)的要求。

展望與總結(jié)

本文簡(jiǎn)要地概述了低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的研究現(xiàn)狀，針對(duì)當(dāng)前存在的問題和不足，對(duì)未來的研究方向作出以下展望： 1）目前，超低速直驅(qū)電機(jī)的相關(guān)研究較少。對(duì)于需要超低速大轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)的系統(tǒng)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)等因素的限制，通常采用低速電機(jī)與一級(jí)減速機(jī)構(gòu)配合，未能充分發(fā)揮直驅(qū)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。實(shí)現(xiàn)超低速直驅(qū)具有迫切的市場(chǎng)需求和廣闊的發(fā)展前景，探究新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理論，以兼顧轉(zhuǎn)矩密度和其他性能指標(biāo)的要求，是低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的發(fā)展方向。 2）低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域得到較為成功的應(yīng)用，但工礦用低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的相關(guān)研究偏少。低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)通常采用真分?jǐn)?shù)槽集中繞組，最大輸出功率減小導(dǎo)致過載能力不足，不能滿足球磨機(jī)、抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高過載能力的要求。探究極槽數(shù)配合、繞組形式與電機(jī)最大輸出功率間對(duì)應(yīng)關(guān)系，研發(fā)高性能工礦用低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)電機(jī)，以順應(yīng)國家推進(jìn)工業(yè)節(jié)能減排的大潮流。 3）低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)采用多極數(shù)與低頻設(shè)計(jì)時(shí)，定子槽數(shù)較多，氣隙磁場(chǎng)分布情況復(fù)雜、諧波含量豐富。采用常規(guī)方法準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩耗時(shí)較多，可以構(gòu)建新型模型改進(jìn)算法。另外，針對(duì)低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的特殊方法研究較少，可以在高極槽數(shù)的優(yōu)化組合方面考慮。 4）低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)電機(jī)，減小定子軛部厚度可以增大定子槽面積放置更多導(dǎo)線，提高電機(jī)效率和過載能力。低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大，對(duì)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求高于普通電機(jī)。軛部厚度等電機(jī)參數(shù)的選取需要同時(shí)考慮電機(jī)性能和機(jī)械強(qiáng)度要求，還要避免氣隙偏心等故障。 5）電機(jī)轉(zhuǎn)子開輔助槽（通風(fēng)孔、散熱道），可能對(duì)電機(jī)磁路產(chǎn)生影響，磁路不對(duì)稱產(chǎn)生額外的磁阻轉(zhuǎn)矩有助于轉(zhuǎn)矩密度進(jìn)一步提高。輔助槽對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響也應(yīng)當(dāng)被考慮。因此，輔助槽是低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的重要參數(shù)，有待系統(tǒng)且深入地探究。 各類低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)都存在固有不足，高過載能力、超低速的直驅(qū)電機(jī)尚未得到普遍應(yīng)用。雙定子結(jié)構(gòu)易與不同類電機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠充分利用電機(jī)內(nèi)部空間，提高轉(zhuǎn)矩密度和最大輸出功率。優(yōu)化雙定子電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理論，是有望實(shí)現(xiàn)高性能低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的一種思路。

本文針對(duì)提高轉(zhuǎn)矩密度、降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、氣隙偏心分析、機(jī)械強(qiáng)度校核和溫度場(chǎng)分析等關(guān)鍵問題，對(duì)低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，在此基礎(chǔ)上展望其未來研究發(fā)展的方向。目的是借他山之石激發(fā)創(chuàng)新思維，推動(dòng)低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的相關(guān)研究進(jìn)一步發(fā)展，促進(jìn)其得到更廣泛的應(yīng)用。

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