低速大转矩永磁电机技术研究报告剖析

低速大转矩稀土永磁同步电动机技术争论报告大连钰霖电器20233月工程背景与争论目的工程背景21世纪人类面临的三大难题是：能源危机，环境污染和人炸。而工程技术界的主题无疑应当是能源危机和环境污染。目前，在机械装备制造业，诸如：机床、重矿机械、建筑机械、电力机械、石油-由于减速机齿轮等机械的缘由降低了系统的整体传动效率；另一方面，由于减速机的存在使驱动系统的整体体积较大，或者说系统的传输力能密度较低。近年来消灭的机电一体化技术，虽然在力能密度方面有所提高，但由于其在理论思想方面仅限于机械减速机构与电机协作的构造尺寸减小，仍未跳出减速机-电动机传动模式的桎梏，所以尤其是在需要大减速比的传动系统，效率更低；功率密度低，机械减速机的存在，使机械装备体积浩大、设备笨重；环境污染，机械转速机不仅存在噪声污染，同时存在润滑油造成的环境污染；机械加工工艺环节共时多，加速机齿轮加工工艺简单，工艺环节多，并且准确度要求严格，给机械装备的加工制造带来难度和增加了工艺本钱。所以，使用低速大转矩传动，取消机械减速机，实现无齿轮传动是时代的要求，进展的需要。2023争论目的在低速大扭矩无齿轮传动系统中，承受稀土永磁电机取代传统的异步电动机是各J.Salo,T.等人报导了一种型低速大扭矩内嵌式磁极构造的永磁同步电动机〔PMSM〕，对不同转子磁极构造利用计算和仿真的方法进展了争论，尽管其理论结果可使电机的转NicolaBianchi置的方法消退PMSM8磁极摆放空间。德国的N.Bianchi等人，利用供电电流波形调制来减弱PMSM转矩纹波PMSMP.LampolaPMSM12极以内的状况。综观上述文献报导，其共同之处在于没有留意到PMSM在现代正弦波脉宽调制〔SPWM〕PMSM的分析和设计问题，并且其分析和解决问题的动身点都是从针对电机的转矩，而无视了产生转矩脉振的根本缘由，即电机内电势波形的设计和争论。本工程争论低速大转矩稀土永磁同步电动机，与电力电子技术、高集成的机电一体化技术一同，组成的电子-电气-机械一体化驱动技术的理论和技术。从低速大转矩消退低频转矩脉动问题；转子嵌入式磁极构造的漏磁问题。并成功地在工厂大机械无齿轮传动系统中得到应用。低速大转矩稀土永磁同步电机的研制原理1SPWMPMSM的数学模型现代变频器几乎全部承受SPWM波经调制而成。理论分析和试验均说明，SPWM输出电压波形中低次谐波之和为零，SPWM的输出电压是一个标准的正弦波。将三相SPWM的输出电压，承受功率不变约束的dq0坐标变换后供电给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电源的输出三相对称电压有效值；u

SPWM电源在dqou

0；s,spwm o角，o

dt 是以电弧度计的转子磁极轴线相对定子u相轴线沿气隙圆周的夹e 0为定子电角频率；R为电机定子绕组相电阻(；1iΨdqo坐标下电流和磁链的空间矢量；s sp为电机极对数；PMSM的电磁转矩。PMSM的空间矢量图，如图1所示。从图1中可以看出，定子电流空间矢量i与s定子磁链空间矢量Ψs

间的空间电角度为β，且i i cos 〔6〕d si i sin 〔7〕q s将〔6〔7〕式代入〔5〕可得T p[ iem fq

(Ld

L)iiq dq

] 〔8〕式中LLq ds

分别为PMSM的直轴和交轴同步电感。qiqis

de fid

uphaseaxis由上式可以看出，PMSM电磁转矩含有两个重量，第一项为永磁转矩，第2项磁PMSM，一般Lq

L，因此，为充分利用磁阻转矩，在掌握上要使直轴d电流重量为负值，即90o。dqo轴系统中的各量〔电压、电流、磁链〕等m于uvw轴系统中各相应量的相有效值的m达式可为

〔m为相数。电磁转矩8〕的稳态表T p[eiem oq

(Xd

X )iiq dq

] 〔9〕式中eo

为dqo坐标下永磁体磁场在PMSM电枢绕组中产生的内电势，X ,Xd q

分别为PMSM的直轴和交轴同步电抗。从〔2〕和〔9〕式可见，要消退PMSM低频脉振转矩脉动，只要能使其内电势的波形为标准的正弦波，即可使电流的波形也为正弦波。固然，假设做到了这一点，也就实现了消退低频转矩脉振的目的。PMSM的设计争论eBlv可知，要使电机内电势波形正弦，其实就是如何使产生内电势的磁场波形正弦的问题。从电机的根本理论可知，影响磁场波形的因素除电机设PMSM弧系数的选择；电枢绕组的排布方式和定子齿谐波影响的消退等四个方面。转子永磁体构造形式的选取PMSM的磁极形式是多种多样的，按永磁体鼓励的方向可分为径向构造和切向构造，按安装形式可以分为外贴式和内置式,其根本形式如图2所示。从SPWM电源与PMSM匹配运行所组成的低速大扭矩驱动系统最优化观点动身，为保证驱动系统有足SPWM变频器额定输出频率应尽可能高〔一般取25Hz以上；为降低变频器的本钱和损耗，要求变频器的额定输出电流要尽可能小。因此，电机在设则必需使每极具有足够强的鼓励磁场。永磁体供给磁场的强度是与其鼓励面积直接相〔〔b〕所示的径向磁极构造，要在中小型电机中承受多极是不行能在有限的空间内获得足够鼓励面积的。因此，低速大扭矩PMSM承受切向磁极构造几乎是惟一的选择。(a)(b)(a)(b)(c)2PMSM转子磁极的根本形式(a)径向外贴式；〔b〕径向内置式；〔c〕切向构造。对称隔磁回路； (b)非对称隔磁回路3不同转子隔磁回路永磁体鼓励磁场静态分布和。可以抑制径向构造在多极时的每极鼓励面积缺乏的缺点，便利地依据需要通过调整永磁体槽深来选择鼓励面积的大小。但由此带来的问题是，如何通过合理的转子隔3是利用有限元分析，得出的不同转子3是在永磁体尺寸一样，仅便于利用单冲的方式加工，但由于机械连接与强度的需要，磁极与极轭的连接局部，1/33〔b〕是将永磁体底部的隔磁回路完全置于同一磁极下〔如N极，利用另一磁极S极〕3〔b〕可见，永磁体底部漏磁3结果意味〔b〕较〔〕1/3。主磁极极弧系数的选择在同步电机的设计中，极弧系数的选取对电机电枢绕组内电势波形以及电机出力PMSM的优点之一是可以通过选择适当的极弧系数来消退某次谐波对电枢绕组内电势波形的影响。依据电机理论，2-aFourier级数分解成空间各次谐波的数学表达式为eB()e

Bm 1sink4 k4

e 〔10〕式中气隙磁密的幅值〔T〕; k为奇数。2-b所Fourier级数分解成空间各次谐波的数学表达式变为B(e

4B)

sinksinkk2 e

〔11〕式中是主磁极极弧短距角的一半〔0。比较式10〕和1，式1〕是式10〕的sin/倍，这意味着对于基波的减弱仅为sin/倍，在/61；而对各次谐波却减小为〔10〕式的1/k倍。并且完全可以通过令k来消退某一特定的谐波。BBma.气隙磁场为矩形波GapfluxdensityrectangleB7e气隙磁场为准梯形波b.Gapfluxdensityquasitrapezoid4气隙磁场为矩形波和准梯形波时沿气隙圆周的电弧度分布57次谐波的消弱。因此，抱负的选择是~5 7

〔12〕电枢绕组的排布方式乎是惟一的选择。依据电机设计根本理论[7]，分数槽绕组不但可以有效地消弱电枢绕组内电势中的高次谐波，而且对于 2mq1 〔13〕X式中齿谐波电势的次数Xm 电枢绕组的相数q 电枢绕组每极每相槽数数槽绕组的实际线圈跨距应当承受〔14〕式取整短距的方法确定。y Q 〔14〕1 2p式中Q电枢绕组的槽数；p为电机极对数。齿谐波影响的消退必需彻底消退。在异步电动机中，通常承受转子斜槽的方法来消退齿谐波的影响。在PMSM中，可以通过承受分数槽电枢绕组来局部地消退齿谐波的影响。但要彻底消退齿谐波可能PMSM为了降低永磁体的造价，一般是规章的长方体，承受转子斜槽会给永磁体安装带来不必要的麻烦。因此，只有承受定子斜槽的工艺。理论分析说明，斜一个定子槽就可以消退齿谐波。但考虑到PMSM机的强，所以抱负的斜槽数应当是(1p

) 〔15〕式中 定子槽两端沿气隙圆周扭转的弧长；定子槽沿气隙圆周的槽距弧长。技术质量指标1EC标准，其对应关系与国际上较D1N42673标准全都，也与Y系列电机全都，这样既有利于稀土永磁电机出口，也有利于稀土永磁电机在国内市场上逐步取代进口电机。1、绝缘等级B级考核，提高了永磁电机牢靠性。由于承受了F级绝缘，在设计时有足够的温升裕度，有利于发电机在使用环境格外恶劣状况下保证正常运转，增加了发电机运转的牢靠性。2、防护等级〔承外盖与转轴的协作处增加橡皮密封圈等〕，使发电机的防护等级提高到1P55，提高了发电机的使用牢靠性。3、噪声和振动槽斜度，增加机座和端盖的刚度，提高端盖轴承室和转轴轴承档加工精度，改进风扇和风罩的构造等，使稀土高效永磁电机的噪声和振动得到有效掌握。4、性能要求永磁电机性能额 定 输 出 量参数〔％〕1/41/23/44/45/4η设计值91.093.5+94.5+94.0+93.5η最小值—92.593.092.5—cosφ设计值0.500.73+0.81+0.84+0.85cosφ最小值—0.690.770.80—5、电机性能比照结论

低速大转矩Y2-250-6一般永磁电机

满载效率83.580

/额定转矩>31.8

牵入转矩/额定转矩>0.80.5在低速大扭矩驱动系统中，承受SPWMPMSM驱动模式，与传统的电机-减速机模式相比具有明显的优势，在驱动系统的传输性能方面可以实现高效高力能密度；在掌握性能方面，可以实现最正确负载角掌握。要消退低频转矩脉动的影响，在低速大扭矩PMSM的设计中，必需使电枢内电势的波形正弦化。实现内电势波形正弦化的四个要点是：[1]承受切向磁极构造，并合理地调整漏磁的大小；[2]合理选择主磁极极弧系数；[3]定子承受分数槽绕组；[4]定子斜槽。与国外同类技术比较领域中，代表当代国际先进水平的产品是日本和德国的几家公司，其中在电机方面日本以安川公司，德国以威特公司为代表。本项成果与日本安川和德国威特公司一样规1所示。从比照可见，本项技术成果在性能和价格方面都比当代国际先进水平有优势最低允许频率重量噪音价格公司日本安川效率0.9功率因数0.89Hz2Kg750dB<60万元4.8德国威特760<605.2沈阳钰霖0.910.920.2770<582.3成果的制造性、先进性成果的制造性主要表达在：0.2Hz，是日本技术的格外之一。有效地消退了电机中的磁场谐波，使电机内电势的波形畸变率低于2%，比国家5%3个百分点。-电气-化观点设计，所以效率和功率因数略高于日本和德国的水平。先进性表达在：学科界限。12个百分点，最低允许频率优越10倍，并且噪音低，价格是国外的48%。因此，性价比2倍以上。作用意义〔直接经济效益和社会意义〕种市场看好，应用潜力巨大的产业。高效稀土永磁同步电动机是一种高效节能产品，平均节能率高达25%以上，局部专用电机平均节电率高达30—40%左右，而且可以做到价格合理。尤其是在低速大转矩传动中，取消机械减速机，实现无齿轮传动是时代的要求，进展的需要。我国开发的高效低速大转矩稀土永磁同步电动机，在国际市场有极强的竞争力。据电力部门估算，石油，矿山等行业五六十年月的老设备约占1/3，其本身运行效率只有30—40%统运行效率大约为20%。齿轮箱年修理费用大，假设承受低速大转矩稀土永磁同步电动机，电机的本钱将增加40%，而运行效率可提高50—65%，假设这些电机更换代没那么将有一个很大的市场空间。推广应用的范围、条件和前景以及存在的问题和改进意见国开发稀土电机具有技术、市场两方面的有利因素，竞争优势明显。3600一体化、汽车、摩托车、冶金矿山设备、风机，水泵等都有广泛应用前景。如每年使600~8003006亿元，可为国家节约62亿元。5060J,J0系列电机、体积大、绝缘性能差，效率低，10%~15%，即达3000~4500万千瓦。6070年月推广的J2、J02系列电机，起动性能差，效率也较低，这类产品约占60%~70%，即达2300060亿元，可是几百个电机厂从停产、半停产逆境中摆脱出来。所以本产品市场进展潜力巨大。工程建成后达产年可实现销售收入6023万元，出口创汇300万美元，利润总额1531万元，销售税金及附加445万元，全部投资每部收益率〔税后〕为41.98%，投资3.68年，工程具有较好的收益及投资回收力量。参考文献 J.Salo,T.Heikkilä,andJ.Pyrhönen,“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.唐任远等著.现代永磁电机的理论与设计.北京：机械工业出版社，1997.程福秀，林金铭主编.现代电机设计.北京：机械工业出版社，1993. 学报，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，FengGuihong，SunGuanggui，WangXiaofan.ParameterCalculationofPhaseBeltWindingsforChangeable-PoleMotorsBasedonSlotCurrentAnalysis.ICEMS’2023,Beijing.ZhangBingyi,WangFengxiang,FengGuihong.Auto-variablespeedsystemofhookdrivingmotorforlargetowercrane，ProceedingsofC