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1、低速大转矩永磁直驱传动系统在矿井提升机上的应用与展望阐述了矿井提升机异步高速电动机+减速器传动系统、电励磁低速直联同步电动机传动系统的结构特点；根据永磁电动机工作原理，提出了矿井提升机低速直联永磁同步变频驱动传动系统方案；对比分析了3种传动系统的技术特点。结合项目实际应用，得出结论：低速直联永磁同步变频驱动传动效率高，维护量小，可靠性高，节能效果好。矿井提升机是利用电动机驱动卷筒，卷筒带动钢丝绳牵引提升容器，沿井筒或斜坡道进行提升的机械设备。它主要用于提升煤炭、矿石、砰石，下放材料，升降人员和设备，是联系矿井井下和地面的“咽喉”设备。传统的矿井提升机传动系统效率低，能耗大，维护量大，可靠性差；
2、现急需一种效率高、可靠性高、节能降耗的传动系统来满足矿山节能减排、绿色生产需求。1矿井提升机传动系统矿井提升机根据原理不同，分为单绳缠绕式、多绳摩擦式、多绳缠绕式提升机。缠绕式和摩擦式提升机根据驱动电动机的类型不同，其传动系统可分为以下两种。1.1异步高速电动机+减速器传动系统矿井提升机采用异步高速电动机时，其传动系统如图1所示，通常称之为I型。它包括异步高速电动机、弹性棒销联轴器、减速器、齿轮联轴器、主轴装置。该传动系统比较成熟，虽然其传动链轴向方向尺寸较大，占地空间较大，效率低，故障点多，维护量大，但是由于一次性投入相对较少，在矿山开采中应用较多，主要用于中小规格矿井提升机。图II型多绳摩
3、擦式提升机传动方式1 .制动器装置；2.主轴装置；3.齿轮联轴器；4.减速器；5.润滑站；6.弹性棒销联轴器；7.电动机；8.液压站。1.2电励磁低速直联同步电动机传动系统矿井提升机采用电励磁低速直联同步电动机时，其传动系统如图2所示，通常称之为HI型。电动机与提升机共用主轴；电动机转子采用锥孔过盈配合与提升机主轴相连，传扭能力大；利用液压工具进行安装及拆卸，技术成熟；轴向尺寸较小，占地空间小。由于需要对电动机进行电励磁，损耗较大，且需对碳刷和滑环进行维护，该传动系统主要应用于中大型矿井提升机。图2HI型多绳摩擦式提升机传动方式1.制动器装置；2.主轴装置；3.电动机；4.液压站。2变频调速永
4、磁电动机工作原理及特点2.1工作原理永磁电动机采用永磁体磁极代替电流励磁的磁极，磁钢设置在转子中，不需要输入电流就可以产生磁场。在运行过程中，借助永磁体产生的旋转磁场，转子与旋转磁场同步旋转。永磁直驱电动机不需要无功励磁电流，可以显著提高效率和功率因数，减少定子电流和定子损耗。2.2特点相比于异步电动机，永磁电动机转子结构简单，没有励磁绕线组，转子铜耗较少，负载率相同时，其功率因数比同规格的异步电动机可提高10%15%,效率也高于异步电动机。异步电动机与永磁电动机功率因数与效率对比如图3、4所示。图4效率对比曲线与电励磁同步电动机相比，永磁电动机在性能方面与之相当，但永磁电动机具有自己的优势。
5、永磁电动机极对数多，额定频率点高，易于实现超低速运行；不需要励磁电流，也不存在碳刷和集电环之间的接触损耗，维护简单，整体效率高，运行更加节能。23变频驱动调速工作原理变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。它将电网提供的恒压、恒频的交流电转变成提升机所需要的新的电压和频率的交流电，实现对电动机的无极调速，来满足矿井提升机不同提升阶段的速度需求。低速直联永磁同步变频驱动传动系统配备永磁直驱变频器，运行稳定，过载能力强，更适用于矿井提升机运行工况。3低速直联永磁同步变频驱动传动系统3.1 系统组成及特点矿井提升机采用低速直驱永磁同步电
6、动机时，具体布置如图5所示。永磁同步电动机与提升机主轴装置直接采用齿轮联轴器连接,结构简单,轴向尺寸小,占地面积小。由于省掉了减速器及润滑站，传动链大大缩短，提高了传动效率，节约了维护及用油成本，提高了设备运转率。图5低速永磁直驱矿井提升机传动方式1.电动机；2.齿轮联轴器；3.主轴装置。矿井提升机采用永磁同步电动机直驱，使用永磁专用变频器，电流/转矩动态响应快，可消除起车超调及启动冲击，实现零速满转矩输出，停车稳定无冲击,更适用于提升机运行工况。3.2 与传统传动系统的对比以JKM-2.84多绳摩擦式提升机为例，其提升系统参数：采用ZZDP900行星齿轮减速器；提升机主轴负载功率按1120k
7、W计算；提升机年工作330d,每天3班，每班8ho永磁同步低速直联变频驱动系统与传统的矿井提升机传动系统对比情况如表1、2所列。表1传动效率对比分析传动方式占地空间电动机效率/%减速器效率/%变频器效率/%日常维护量异步高速电动机+减速器较大929297需护减速器、润滑站三磁低速直联同步电动机较小94-5(励磁)97需维护碳刷和滑环永磁低速直联电动机较小9597基本无维护表2节能效果对比分析(满载运行)传动方式负载轴功ZkW年运行时间/h运行能耗/(kWh,)电价(元/kW,h,)年电费/万元节约电费/万元异步高速电动机+减速器112079201364.19().8864.35电励磁低速直联同
8、步电动机112079201297.)0.8822.2B42.07永磁低速直联电动机112()79201214.750.8769.6694.69由表1、2可知，低速直联永磁同步变频驱动系统的各项指标均占优势。它占地空间小，总传动效率高，故障点少，维护量小，节能效果显著，符合矿山节能减排、绿色生产需求。4提升机永磁变频驱动电控系统矿井提升机永磁变频驱动电控系统主要由高低压开关柜、PLC控制柜、永磁专用变频器、控制板、接口板、位移传感器、磁开关等组成。矿井提升机永磁变频驱动电控系统为了满足矿井提升机的工况需求，采用六大核心技术，包括有源前端四象限控制技术、最大转矩电流比矢量算法、载波移项多电评级联技
9、术、静态转子位置辨识技术、双电动机平衡控制技术、堵转及悬停控制技术。(1)有源前端四象限控制技术基于虚拟磁链和dq矢量变换，电流响应快，能量快速双向流动；(2)最大转矩电流比矢量算法技术基于Foc高性能矢量控制算法，动态特性好，起制动平滑；(3)载波移相多电平级联技术基于载波移相技术实现多电平级联，输出电压高，波形正弦、谐波小；(4)静态转子位置辨识技术高频信号注入，无需开车自动检测转子位置，摆脱编码器限制；(5)双电动机平衡控制技术基于高速光纤通信及主从转矩平衡控制，转矩不平衡度W1%;(6)堵转及悬停控制技术通过转矩前馈、限幅等技术实现堵转及悬停功能，防止溜车，停车冲击小。主控系统采用以上
10、核心技术具备高可靠性，可实现小于0.1m/s超低速运行及零速悬停控制，保证提升机制动更加平稳。5低速直联永磁同步变频驱动应用目前，中信重工生产的单绳缠绕式、多绳摩擦式矿井提升机均已广泛采用低速直联永磁同步变频传动，并已应用于实际项目中，如图6所示。其中，图6(a)为单绳缠绕式提升机；图6(b)为多绳摩擦式提升机，它用于内蒙古大中矿业，这也是当时国内首次在多绳摩擦式矿井提升机上使用永磁同步低速直联变频驱动。该项目为中信重工机-电-液成套供货，配备自主研发的Chic100opm系列提升机永磁直驱四象限高压变频器。经过调试，该设备顺利投运，现场运行情况良好,性能稳定。(b)多绳摩擦式提升机图6低速直
11、驱永磁同步传动矿井提升机的现场应用6结论(1)矿井提升机采用低速直联永磁同步变频驱动，较传统传动系统占地空间小，日常维护量小，可靠性高。该驱动系统利用变频器技术，可以实时调节转速和输出转矩大小，低速性能好，动态响应快，节能效果显著。它在给用户维护带来便利和实际效益的同时，也符合国家矿山节能减排、绿色生产需求。(2)矿井提升机老旧设备改造项目可参考采用低速永磁直驱同步传动方案。(3)目前应用的低速直联永磁同步变频驱动系统，由于齿联传扭能力限制，提升机规格相对较小，后期可开发锥孔直联式永磁同步驱动系统用于大型矿井提升机。低速大转矩永磁直驱电机研究综述与展望低速大转矩永磁直驱电机替代传统的感应电机加
12、机械减速机构的传动模式具有明显的优势，受到越来越广泛的关注。转矩密度是衡量低速大转矩直驱电机的关键指标之一，本文主要从结构特点、应用现状和科研进展等方面，介绍了真分数槽集中绕组永磁电机、永磁游标电机、永磁盘式电机、横向磁通电机和双定子/双转子电机等几类高转矩密度低速大转矩永磁直驱电机。概述了转矩脉动、气隙偏心故障、机械强度和温度场研究等的必要性和方法。基于研究现状展望未来发展方向，为实现高性能低速大转矩永磁直驱电机提供参考。低速大转矩直驱电机没有严格的定义，一般是指转速低于500r/min、转矩大于500Nm,用于直接驱动的电机，当转速低于5Ormin为超低速电机。低速大转矩传动系统在工业生产
13、、油田开采、风力发电、港口起重和船只推进等领域有极其广泛的应用前景。传统的感应电机加机械减速机构的驱动系统，存在结构复杂、减速机构易磨损、润滑油渗漏、运行可靠性差、维护成本高以及系统整体效率低等缺点，不符合经济发展节能环保的要求，采用直驱电机替代传统的驱动系统成为国内外学者的共识。感应电机低额定转速设计时极数较多，励磁电流增加使功率因数和效率严重降低，因此感应电机不适用于低速大转矩直驱。永磁电机的气隙磁场由永磁体激励，不存在励磁电流，电机极对数可以设计得很高。永磁电机电枢电流中的无功分量很小，定子铜耗减少，相比于感应电机，永磁电机的功率因数和效率更高。另外，永磁电机在很宽的负载变化范围内能保持
14、良好的性能，因此在低速大转矩传动系统中受到广泛的关注。低速大转矩永磁同步电机的体积较大，加工、运输和安装困难，严重制约其推广应用和超低速化发展。本文首先分析低速大转矩直驱电机实现的难点，指出转矩密度比功率密度更适合作为其主要性能指标。而后，对低速大转矩直驱电机分类，包括真分数槽集中绕组永磁电机、永磁游标电机、永磁盘式电机、横向磁通电机和双定子/双转子电机，系统地介绍了各类电机的结构特点、实际应用和发展趋势。此外概述了低速大转矩永磁直驱电机的转矩脉动、气隙偏心故障、机械强度和温度场的相关研究及分析方法。最后对低速大转矩永磁直驱电机的未来发展作出展望，提出基于双定子结构，拓扑结构和设计理论的优化，
15、能够兼顾转矩密度和其他主要性能指标的要求。1低速大转矩直驱电机实现的难点(略)1.1 极数、槽数较多永磁电机是低速大转矩直驱传动系统的理想选择，异步感应电机在低速大转矩直驱系统中应用较少。1.2 电机外径、体积大如何提高转矩密度，进一步减小体积，是促进低速大转矩直驱电机推广应用的关键。2低速大转矩永磁直驱电机的分类2.1 真分数槽集中绕组永磁电机分数槽绕组(即电机的每极每相槽数q=b+cd,b是整数，c/d是最简分数)广泛应用于永磁电机，能够有效削弱永磁电机固有的齿槽转矩。分数槽绕组分为假分数槽(qD和真分数槽(ql)两类，真分数槽绕组的绕组节距yl=l,每套线圈集中绕制在一个定子齿上，又称为
16、真分数槽集中绕组。当电机的极数较多时，采用真分数槽集中绕组可以显著减少定子槽数，使结构简化，有效解决了低速大转矩永磁直驱电机极数、槽数较多的难点。真分数槽集中绕组还具有便于自动嵌线，绕组端部短、定子铜耗降低等优点。真分数槽集中绕组永磁同步电机由于高转矩密度、高效率和低转矩脉动等优点，在风力发电系统中得到了广泛的关注和应用。为控制质量和成本，同时兼顾电机性能，文献15中曲荣海教授以采用真分数槽集中绕组的7MW大型直驱风力发电机为对象，对表贴式和内置式两种转子磁路结构的优劣进行研究。两台电机的转速都是7rmin,按质量和成本最低作最优设计并进行性能对比。结果表明两台电机性能良好，转矩密度均大于10
17、8kNmm30采用表贴式结构，电机的总质量和成本更低，转矩脉动更小，抗退磁性能更好；内置式结构的优势在于更高的转矩密度和低磁损耗。在上述研究的基础上,KaziAhsanullah采用转速为143rmin的内置式永磁同步电机，对集中式绕组和分布式绕组进行对比研究。研究表明，相比分布式绕组,集中式绕组使电机的齿槽转矩、定子铜耗显著降低，转矩密度提高；但是凸极率降低使磁阻转矩减小和弱磁调速能力减弱，具体见表Io文献16还以齿槽转矩和效率为设计目标，提出一种永磁直驱风力发电机的优化设计方法，通过样机试制验证了方法可行性。绕组类型，反电动如效率(),齿槽转矩八转矩脉动畸变率(%).(Njn)P(%)*凸
18、极率多分布式绕组19/89/4.53，14.4/1.98/集中式绕组o.6794.03p0.63*1.471.4表1分布式绕组电机与集中式绕组电机相关性能对比2.2 磁齿轮永磁复合电机和永磁游标电机磁齿轮永磁复合电机是指将传统永磁无刷直流电机或永磁同步电机和磁性齿轮相结合的一类直驱电机。在磁齿轮结构的基础上，近年来国内外学者提出很多新型拓扑结构的永磁游标电机。磁齿轮永磁复合电机和永磁游标电机的运行原理都是基于“磁场调制效应”：由转子永磁体激励的多极对数旋转磁场在调制环(或调制齿)的作用下，转换成定子中的少极对数旋转磁场，有效谐波磁场用于机电能量转换和转矩传递。利用磁场“自增速”效果，定子绕组可
19、按电机高速谐波磁场的极对数进行设计，使得电机的结构简化，定子槽数大大减少，绕组绕制简便，整机体积和质量降低，转矩密度得到较大提升。文献22中浙江大学王利利博士提出如图1所示的磁齿轮永磁无刷直驱电机，结构上可看作一台外转子永磁无刷电机与磁齿轮的结合。电机定子绕组按4对极设计，采用三相工频电源供电时，同步旋转磁场的转速为750rmin,保持调磁环固定，在磁场调制作用下，转子转速为13Ormin,且旋转方向与磁场方向相反。采用变频器供电时，该电机表现出良好的调速性能。图1磁齿轮永磁无刷直驱电机磁齿轮永磁复合电机通常包含多层气隙，由两个旋转部分和12个固定部分组成，机械结构复杂。在磁齿轮结构的基础上，
20、永磁游标电机的研究发展得很快。ByungtaekKim教授对永磁游标电机的工作原理和设计方法进行研究，推导了反电动势和功率的表达式，在此基础上计算电机的最大功率密度，进而确定转矩与气隙容积的对应关系，得出的游标电机的功率密度随气隙长度的增加而增大。此外，根据所推导表达式给出一种选取极槽配合的新方法，可以进一步提高功率密度。文献24中提出一种采用集中绕组的表贴式永磁游标电机，拓扑结构如图2所示。图2真分数槽永磁游标电机提出一种高转矩密度多谐波永磁游标电机，采用叠绕组，结合特殊设计的定子辅助齿，具有多个不同磁通密度的工作谐波。使调磁块的间距不等于平均槽距,可以引入附加工作谐波，该电机比常规非叠绕组
21、永磁游标电机的转矩密度提高20%以上。2.3 永磁盘式电机相比于传统的永磁同步低速大转矩永磁直驱电机体积较大的特点，永磁盘式电机整机构造更加紧凑，有利于转矩密度的提高。永磁盘式电机有时也被称为轴向磁通电机，采用可调节平面式气隙，气隙磁场呈轴向式，轴向尺寸短，电机外径大，比转矩高。其结构特点使电机易设计成多极对数，符合低速大转矩直驱电机的应用需求，且电机轴向尺寸短，适用于轴向安装尺寸受限制的场合。Andrea0.3）时，轴向磁通永磁电机的转矩密度更高。XCavagnino对轴向磁通永磁电机和径向磁通永磁电机进行系统对比研究，得出当电机极数较多（10极以上）且电机主要尺寸比小。提出一种适用于游梁式
22、抽油机的永磁盘式电机，转速为15rmin0用两台背靠背对称安装的盘式电机替代原有三相异步感应电动机和减速机构，电机直接驱动抽油杆。利用三维有限元仿真分析气隙磁场，计算电机转矩和轴向吸力，并试制样机进行试验验证。结果表明抽油机系统运行平稳，振动噪声小，整体效率高,满足实际应用要求。2.4 横向磁通电机横向磁通电机磁场呈三维空间分布，电路和磁路自然解耦，有效克服绕组截面积与定子齿部截面积相互制约的缺点，可以增加极对数实现电机低速运行。在一定范围内增加极对数，横向磁通电机的转矩密度随之提升。传统的爪极横向磁通电机如图3所示，在较低的转速下，转矩密度优于普通的异步感应电机和无刷直流伺服电机。横向磁通电
23、机各相独立，绕组结构简单，便于下线，且不存在传统电机的端部绕组。图3爪极横向磁通电机在传统爪极横向磁通电机基础上，文献31中提出一种外转子横向磁通轮毂电机，采用新型爪极结构，并且设计环形磁铁便于放置在转子铁心，新结构大大减少了永磁体用量。样机试验的结果表明，电机在100rmin的转速下满载运行平稳可靠，适用于轻型电动汽车的直接驱动。2.5 双定子/双转子电机双定子/双转子电机是指电机有两个定子或转子，以及两个气隙，分为同心式结构和并行式结构两类。严格意义上，双定子/双转子电机不是与永磁游标电机、永磁盘式电机、横向磁通电机等并列的电机分类，而是一种电机结构。文献22,32中的磁齿轮永磁复合电机，
24、文献33中的永磁盘式电机、文献34中的横向磁通电机都是双定子/双转子结构。磁齿轮永磁复合电机的特殊工作原理决定其必然存在两个转子。曲荣海教授较早开展了相关研究，指出多气隙电机比传统的单气隙电机具有更高的转矩密度。文献33-34采用双定子/双转子结构的永磁盘式电机和横向磁通电机，气隙磁通密度和转矩密度都有提高。双定子/双转子结构的永磁无刷电机和永磁同步电机，凭借良好的调速性能最早用作汽车、摩托车的驱动电机。通过改变两套绕组的联结方式，使得电机在更宽的工作范围内保持良好运行特性。永磁同步电机或永磁无刷直流电机用于低速大转矩直驱系统时，电机内径较大，冲片利用率偏低，限制了转矩密度的提升。低转速时，采
25、用双定子/双转子结构能够有效提高电机内部空间利用率，使电机具有更高转矩密度，同时提高了效率和最大输出功率。3低速大转矩永磁直驱电机的应用和科研动态3.1 真分数槽集中绕组永磁电机目前，国内外学者对真分数槽集中绕组的研究主要在绕组性能分析、新型控制和设计方法的创新等方面。真分数槽集中绕组的缺陷是增大了电感值，导致电机最大输出功率严重降低，因此多用于风力发电系统，而对电机过载能力要求较高的场合应用很少。工业大学研制一台用于精密数控机床的80极96槽低速大转矩永磁直驱电机，采用真分数槽集中绕组和不等厚定子齿宽相结合的结构设计。令宽齿的齿部宽度等于极距，集中式绕组的绕组节距即等于极距，短距系数为1,不
26、等厚齿宽结构提高了电机的绕组系数和齿部磁通。有限元仿真和样机试验的结果表明，该电机与相同参数的等厚定子齿电机相比平均输出转矩提高了5.26%,提高了电机的过载能力和转矩密度，并且齿槽转矩仅为额定转矩的1.05%,性能满足精密数控机床的直驱要求。通过控制策略如电流谐波注入法，使集中绕组永磁同步电机实现最大转矩密度是目前热门的研究课题。3.2 磁齿轮永磁复合电机和永磁游标电机磁齿轮永磁复合电机的转矩密度比传统永磁电机提高80%,可以达到80120kNmm3;永磁游标电机也具有结构紧凑、转矩密度高的特点，两类电机以优良的低速大转矩特性被广泛应用于发电设备、起重机械和船只驱动等系统。两类电机特别是磁齿
27、轮永磁复合电机结构复杂，生产加工难度大，限制了其发展应用。另外，磁场调制作用利用定子中有效谐波磁场传递转矩和能量，存在功率因数和效率偏低的缺点。因此,拓扑结构和设计理论的创新仍是发展的趋势。用定子齿实现调磁环的作用能简化机械结构，在传统磁齿轮结构的基础上，文献32中提出一种新型同轴磁齿轮永磁无刷直驱电机。电机的定子齿即为调磁齿，外转子的极靴也起到磁场调制的作用，此时电机可看作是定子与外转子构成的游标电机和定子与内转子构成的永磁无刷电机的合成。由于磁齿轮的作用，外转子的转速为120rmin,并且输出转矩等于两部分转矩的叠加。此外，外转子的4次谐波磁动势感生的感应电压补偿了相电压与电流之间的相位差
28、，该电机有0.95的高功率因数。双边永磁体励磁电机也是一类结构较为简单的磁场调制型电机。文献47中提出的电机拓扑如图4所示，定子齿部和转子枕部各插入一组永磁体，由于双向磁场调制效应，电枢绕组激励的磁场和两组永磁体激励的磁场都有效耦合。双边永磁体励磁电机比磁齿轮永磁复合电机结构简单，两组永磁体使其转矩密度高于普通永磁游标电机。图4双边永磁体励磁电机聚磁效应能够改善气隙磁通密度使电机磁负荷提高。程明教授提出一种应用于风力发电的新型聚磁式永磁游标电机，其结构如图5所示，该电机转速为214rmin,采用轮辐式永磁体结构的外转子设计，定子槽的开口设计使空间利用率提高。通过有限元分析和样机试验，验证了该电
29、机转矩密度高、外特性硬的优点。图5聚磁式永磁游标电机3.3 永磁盘式电机永磁盘式电机以其高转矩密度、高效率、结构紧凑等优点，在车用电机、家用电器、发电设备等领域有广泛的应用前景。目前，学者对永磁盘式电机拓扑结构和设计理论的优化进行探究，以进一步提升电机性能。印制电路板(PrintedCircuitBoard,PCB)定子绕组具有机械强度和加工精度高的优势，并且简化了电机结构，被越来越多地应用于永磁盘式电机。SanjidaMoury提出一种采用PCB定子绕组的新型永磁盘式发电机,转速为72rmin柔性PCB绕组线圈呈楔形缠绕。该电机消除了集电环，并且具有效率高、零铁耗、零齿槽转矩等优点，成为船舶
30、用直驱式海流发电机的良好选择。MetinAydin提出一种新型无铁心永磁盘式电机如图6所示，采用轮辐式分瓣转子，结合内置式磁路结构和可调节气隙，反电动势波形近似正弦波。与常规表贴式永磁盘式电机相比，该电机具有更高的气隙磁通密度和转矩密度。图6轮辐式无铁心轴向磁通电机的正弦分段转子日本学者TakeOIShikaWa提出一种兼有轴向磁通和径向磁通的混合磁通永磁发电机，在相同电机外径、轴向长度、永磁体用量和极对数的条件下，效率更高,功率密度达到219kWm3,为商业化产品的9.4倍。不使用昂贵的功率变换器，为使发电机在不同风速下保持输出电压恒定，有印度学者针对永磁盘式发电机提出一种新方法，采用多组定
31、子绕组设计，并根据风速改变绕组的连接方式，样机的转速为300rmin.该方法有效实现电机恒压输出，使电机获得更宽的工作范围（额定转速的25%125%）,并且在低风速时能量转换效率大大提升。3.4 横向磁通电机横向磁通电机解决了传统电机定子齿部和定子槽之间的相互约束，具有更高的转矩密度，绕组结构简单。近年来，在船只推进、新能源汽车和风力发电等场合，已有尝试性应用。横向磁通电机存在功率因数偏低、漏磁较大、结构工艺复杂和生产成本高等缺点，为解决上述问题，国内外学者对电机拓扑的改进和优化做了大量尝试。聚磁式结构能够提高永磁体利用率，在横向磁通电机中也有广泛应用。文献34中提出一种聚磁式发电机如图7所示
32、，内外定子的齿部交错排布，每相有两套绕组，提升了电机气隙磁通密度和结构紧凑性，有利于转矩密度提高。图7聚磁式横向磁通永磁盘式发电机文献56提出将横向磁通电机的上下凸极转子错开半个极距，并且用环形铁心连接。这种结构保证了永磁体始终存在有效的磁路，相邻极间漏磁大大减少。有限元仿真结果表明，电机的永磁体利用率比原有结构提高近一倍。横向磁通永磁同步电机转矩密度比横向磁通磁阻电机的更高，但前者结构复杂，永磁体用量大。为节约成本提出一种新型结构，永磁体和电枢绕组均安装在定子侧，转子仅是铁心。制造转速为125rmin的样机，经过有限元仿真和试验验证，新型结构的转矩密度（8.22kNmm3）降低24%,但是永
33、磁体用量仅为传统横向磁通永磁同步电机的33%,永磁体利用率提高，满足实际应用需求。3.5 双定子/双转子电机凭借结构优势，双定子/双转子电机受到很多学者青睐，在风力发电、新能源汽车、精密机器人等应用领域发展很快。双定子/双转子电机的缺点是结构复杂，存在两个气隙，内外电机之间存在磁耦合，增加了设计与仿真分析的复杂度。文献61中基于等效磁路和有限元法，对一种用于电动汽车的双转子五相永磁同步电机的电磁特性进行研究。分析了极槽配合、永磁体磁化类型、电枢反应、定子规部厚度、绕组结构等因素对电机磁耦合的影响，进而给出磁解耦设计方法,对其他结构双定子/双转子电机的分析、设计具有借鉴意义。近几年，许多国内外学
34、者将两种或多种类型的电机相结合进行拓扑创新，扬长避短并充分发挥出各种电机结构优势。双定子/双转子电机的结构特点非常适合永磁盘式电机、横向磁通电机、开关磁阻电机等相结合。文献62提出-种新型轮辐式双定子轴向磁通永磁游标电机，提高了电机的转矩密度（达38kNmm3）,改善了功率因数（0.89）,转速为300rmin,在风力发电、电动汽车等低速大转矩直驱系统有良好的应用前景。文献6引中结合分数槽集中绕组和游标电机的优点，提出一种新型双定子低速大转矩永磁直驱电机如图8所示，转速为270rmin.外定子采用分数槽集中绕组，减少槽数和定子枕部厚度；内定子采用游标结构以减少定子槽数。该结构进一步发挥双定子电
35、机的结构优势，提高了转矩密度（达50kNm3）,并且有效削弱了齿槽转矩。图8新型双定子永磁直驱电机4低速大转矩永磁直驱电机的共性问题4.1 转矩脉动对于电机的输出转矩，要求其有较高的转矩密度，还要减小转矩脉动使电机运行平稳。特别是对于低速大转矩永磁直驱电机，即使脉动与额定转矩的比值较小，由于其转速低时输出转矩的数值较大，实际转矩脉动的幅值很大，电机运行过程中可能有明显的顿挫感，引起严重的振动和噪声。一方面影响直驱传动系统的控制精度；另一方面较大的脉动可能使电机转轴发生刚性疲劳，造成气隙偏心等故障，缩短传动系统的使用寿命。对用于发电设备的低速大转矩永磁直驱电机而言，转矩脉动水平直接决定发出电能的
36、质量，是主要性能指标。低速大转矩永磁直驱电机通常极槽数较多，并且有时额定频率较低，气隙磁场畸变严重。另外对于电动机，低频时变频控制器的输出谐波分量增加，电机反电动势和电枢电流的畸变更为严重，导致纹波转矩增大。文献68基于转速仅为50rmin的低速大转矩永磁直驱发电机，研究112极120槽、116极120槽、118极120槽和80极120槽四种超高极数、槽数配合下电机的磁拉力和振动情况。根据分析结果说明了如何选择极槽配合，使电磁振动和转矩脉动都在较低水平。该研究对超低速永磁直驱电机的实现有指导意义。4.2 气隙偏心及机械强度的研究径向磁通低速大转矩直驱电机的外径尺寸和质量通常较大，容易引起气隙偏
37、心故障。诸自强教授等针对永磁电机气隙偏心对不平衡磁拉力及齿槽转矩的影响作了相关研究。不平衡磁拉力是指电机不对称的磁路或电路使得气隙磁密圆周分布不对称，因而在定转子间所产生的径向电磁力，磁拉力和齿槽转矩会引起电机的振动和噪声，加剧电机转轴的磨损，转轴磨损使气隙偏心恶化。低速大转矩永磁同步电机体积较大，电机内径通常也较大，冲片有效利用率不高，为降低电机质量减小转动惯量，实际生产中常常采用轮辐式转轴如图9所示。轮辐式磁路结构能够提高永磁体利用率，使气隙中产生更高的磁通密度，越来越多的应用于永磁盘式电机。聚磁式结构提高了横向磁通电机的永磁体利用率，但存在机械强度较差的不足。图9轮辐式电机转轴低速大转矩
38、直驱电机的输出转矩较大，分析电机结构的机械强度和转轴应力分布，检验其抗疲劳能力对保障电机的运行可靠性具有重要的意义。文献72中研究了电机转轴静态和动态条件下的受力情况，基于有限元法提出一种新型计算方法，用于校核转轴机械应力、挠度和安全系数。文献73中分析了辐条式转轴的轴向挠性振动特性并构建了对应的数学模型。轮辐式结构的薄弱点是辅板与轴体曲面的焊缝，其受到较大作用力，可能出现应力集中导致裂缝甚至轴断裂。以工程力学理论为基础结合焊接学相关理论，运用有限元法计算应力分布找到应力集中点，探究缓解焊缝应力集中的方法，能够提高轮辐式结构的可靠性。文献76在不同负载条件下，分析了聚磁式横向磁通电机的转子铁心
39、上的应力分布，校验了机械强度和结构刚度，为横向磁通电机可靠性的设计和优化提供了依据。4.3 温度场分析及散热的研究温升是永磁电机的主要性能指标，温升过高可能使绕组绝缘老化发生相间短路的严重故障，永磁体过热会导致退磁使电机的输出功率大大降低。温升关系到电机能否长期可靠运行，对于低速大转矩永磁电机温升计算更为必要：一方面其转速较低自扇冷却的效果变差；另一方面其功率密度低热负荷小可能仅需自冷却。因此分析其内部温度场分布情况确定局部过热点，对电机冷却方式的选择和设计有重要指导作用。许多国内外学者致力于电机温升的算法改进，构建更加准确的三维温度场模型，探索改善散热条件的新方法。文献81以一台160kW9
40、0rmin的低速大转矩永磁电机为研究对象，提出一种转子端部加装散热风刺与转子开设通风道的转子散热方法。以对流换热理论为基础通过流固耦合算法，探究了不同尺寸散热风刺和不同位置、数量、尺寸的径向通风道对空气流动的增强作用，分析转子永磁体的散热效果并计算温升，通过样机试验验证了散热方法的有效性和温升计算的准确性。准确的热路分析是估算横向磁通电机最大输出功率的关键。DavidA.Howey针对横向磁通电机直流通风构建几何模型，研究定子对流换热，与三维计算流体动力学结果对比，该模型对电机定子热传导效果作保守估计，在此基础上给出多种提高冷却效果的方案。展望与总结本文简要地概述了低速大转矩永磁直驱电机的研究
41、现状，针对当前存在的问题和不足，对未来的研究方向作出以下展望：1）目前，超低速直驱电机的相关研究较少。对于需要超低速大转矩传动的系统，由于电机转矩密度和功率因数等因素的限制，通常采用低速电机与一级减速机构配合，未能充分发挥直驱电机的优势。实现超低速直驱具有迫切的市场需求和广阔的发展前景，探究新型拓扑结构和设计理论，以兼顾转矩密度和其他性能指标的要求，是低速大转矩永磁直驱电机的发展方向。2）低速大转矩永磁直驱电机在风力发电、新能源汽车等领域得到较为成功的应用，但工矿用低速大转矩永磁直驱电机的相关研究偏少。低速大转矩电机通常采用真分数槽集中绕组，最大输出功率减小导致过载能力不足，不能满足球磨机、抽
42、油机驱动对高起动转矩、高过载能力的要求。探究极槽数配合、绕组形式与电机最大输出功率间对应关系，研发高性能工矿用低速大转矩直驱电机，以顺应国家推进工业节能减排的大潮流。3）低速大转矩永磁直驱电机采用多极数与低频设计时，定子槽数较多，气隙磁场分布情况复杂、谐波含量丰富。采用常规方法准确计算电机的齿槽转矩耗时较多，可以构建新型模型改进算法。另外，针对低速大转矩永磁直驱电机减小转矩脉动的特殊方法研究较少，可以在高极槽数的优化组合方面考虑。4）低速大转矩直驱电机，减小定子短部厚度可以增大定子槽面积放置更多导线，提高电机效率和过载能力。低速大转矩永磁直驱电机的输出转矩大，对电机机械结构强度的要求高于普通电
43、机。粒部厚度等电机参数的选取需要同时考虑电机性能和机械强度要求，还要避免气隙偏心等故障。5）电机转子开辅助槽（通风孔、散热道），可能对电机磁路产生影响，磁路不对称产生额外的磁阻转矩有助于转矩密度进一步提高。辅助槽对机械结构的影响也应当被考虑。因此，辅助槽是低速大转矩永磁直驱电机的重要参数，有待系统且深入地探究。各类低速大转矩永磁直驱电机都存在固有不足，高过载能力、超低速的直驱电机尚未得到普遍应用。双定子结构易与不同类电机结合，发挥各自优势，同时能够充分利用电机内部空间，提高转矩密度和最大输出功率。优化双定子电机的拓扑结构和设计理论，是有望实现高性能低速大转矩永磁直驱电机的一种思路。本文针对提高转矩密度、降低转矩脉动、气隙偏心分析、机械强度校核和温度场分析等关键问题，对低速大转矩永磁直驱电机的研究现状进行综述，在此基础上展望其未来研究发展的方向。目的是借他山之石激发创新思维，推动低速大转矩永磁直驱电机的相关研究进一步发展，促进其得到更广泛的应用。
