低速大轉矩永磁直驅電機研究綜述與展望

來源 | 電工技術學報

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(xiàn)狀和科研進展等方面，介紹了真分數(shù)槽集中繞組永磁電機、永磁游標電機、永磁盤式電機、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?；谘芯楷F(xiàn)狀展望未來發(fā)展方向，為實現(xiàn)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，一般是指轉速低于500r/min、轉矩大于500N·m，用于直接驅動的電機，當轉速低于50r/min為超低速電機。低速大轉矩傳動系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、油田開采、風力發(fā)電、港口起重和船只推進等領域有極其廣泛的應用前景。

傳統(tǒng)的感應電機加機械減速機構的驅動系統(tǒng)，存在結構復雜、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(tǒng)整體效率低等缺點，不符合經(jīng)濟發(fā)展節(jié)能環(huán)保的要求，采用直驅電機替代傳統(tǒng)的驅動系統(tǒng)成為國內外學者的共識。

感應電機低額定轉速設計時極數(shù)較多，勵磁電流增加使功率因數(shù)和效率嚴重降低，因此感應電機不適用于低速大轉矩直驅。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(shù)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，相比于感應電機，永磁電機的功率因數(shù)和效率更高。另外，永磁電機在很寬的負載變化范圍內能保持良好的性能，因此在低速大轉矩傳動系統(tǒng)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，嚴重制約其推廣應用和超低速化發(fā)展。本文首先分析低速大轉矩直驅電機實現(xiàn)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。而后，對低速大轉矩直驅電機分類，包括真分數(shù)槽集中繞組永磁電機、永磁游標電機、永磁盤式電機、橫向磁通電機和雙定子/雙轉子電機，系統(tǒng)地介紹了各類電機的結構特點、實際應用和發(fā)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。最后對低速大轉矩永磁直驅電機的未來發(fā)展作出展望，提出基于雙定子結構，拓撲結構和設計理論的優(yōu)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(xiàn)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。對于需要超低速大轉矩傳動的系統(tǒng)，由于電機轉矩密度和功率因數(shù)等因素的限制，通常采用低速電機與一級減速機構配合，未能充分發(fā)揮直驅電機的優(yōu)勢。實現(xiàn)超低速直驅具有迫切的市場需求和廣闊的發(fā)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(fā)展方向。

2）低速大轉矩永磁直驅電機在風力發(fā)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采用真分數(shù)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(shù)配合、繞組形式與電機最大輸出功率間對應關系，研發(fā)高性能工礦用低速大轉矩直驅電機，以順應國家推進工業(yè)節(jié)能減排的大潮流。

3）低速大轉矩永磁直驅電機采用多極數(shù)與低頻設計時，定子槽數(shù)較多，氣隙磁場分布情況復雜、諧波含量豐富。采用常規(guī)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(shù)的優(yōu)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于普通電機。軛部厚度等電機參數(shù)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(chǎn)生影響，磁路不對稱產(chǎn)生額外的磁阻轉矩有助于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(shù)，有待系統(tǒng)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(fā)揮各自優(yōu)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(yōu)化雙定子電機的拓撲結構和設計理論，是有望實現(xiàn)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(xiàn)狀進行綜述，在此基礎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，推動低速大轉矩永磁直驅電機的相關研究進一步發(fā)展，促進其得到更廣泛的應用。