柳也東

(威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510663)

0 引 言

電動機是電能轉(zhuǎn)換為機械能的過程中不可缺少的一部分，是現(xiàn)代工業(yè)的主要動力來源，在工業(yè)以及工業(yè)相關(guān)的各個領(lǐng)域的生產(chǎn)中被廣泛運用。為了提高電動機的輸出性能，就要對電動機的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。眾所周知，對于大部分的重載機械裝置，如果想要滿足特定的技術(shù)條件，就必須通過增加減速器的方式，來降低運行的轉(zhuǎn)速。而減速器作為一個動力源和執(zhí)行單位之間的環(huán)節(jié)，它的存在不僅增加了制造和維護的成本，而且增大了整個機械裝置的體積，給生產(chǎn)帶來了很多負(fù)面影響，不符合經(jīng)濟發(fā)展和節(jié)能環(huán)保的要求[1]。

低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機在運行時具有兩個主要的優(yōu)點：第一是能在低速時平穩(wěn)地運行，第二是運行時的轉(zhuǎn)矩足夠高。這兩個優(yōu)點使其應(yīng)用在重載機械裝置中成為可能。又因其具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，效率高，尺寸和形狀的設(shè)計較為靈活的特點，因此，這類電動機受到各行業(yè)的關(guān)注越來越多，使用低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機替代傳統(tǒng)的重載驅(qū)動系統(tǒng)成為國內(nèi)外學(xué)者的共識[2]。低速大轉(zhuǎn)矩電動機目前沒有嚴(yán)格的定義，通常指的是轉(zhuǎn)速低于500 r/min、傳動力矩高于500 Nm的一類電動機傳動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速低于50 r/min稱為超低速電動機[3]。

1 特點分析

1.1 轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大

與傳統(tǒng)電動機相比，低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機的氣隙磁場由永磁體產(chǎn)生，永磁體的形狀設(shè)計和磁路設(shè)計更多樣，這樣就可以根據(jù)具體需要靈活的設(shè)計，簡化電動機的結(jié)構(gòu)。兩者的起動轉(zhuǎn)矩在相同條件下最高可能相差到15倍之多[4]，傳統(tǒng)的電動機起動時存在最小轉(zhuǎn)矩，而低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機是變頻起動，沒有最小轉(zhuǎn)矩的限制，所以它可以在負(fù)載有限的時候提供更大的轉(zhuǎn)矩，因而更順利實現(xiàn)起動。在某些特定的情況下，傳統(tǒng)電動機在起動時需要通過提高功率的方式獲得足夠的轉(zhuǎn)矩，這樣一來會消耗更多的電能，而低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機就不需要通過這種方式起動。

1.2 功率因數(shù)、效率高

電動機的損耗主要分為鐵耗、銅耗、機械損耗、雜散損耗等。傳統(tǒng)的感應(yīng)電動機在運行中必然有定子銅耗，而定子銅耗在電動機的所有損耗中的占比約為33%。損耗的存在很大程度上降低了電能轉(zhuǎn)化為機械能的效率。目前廣泛使用的三相異步電動機的經(jīng)濟運行范圍通常只在額定負(fù)載的60%到100% 的范圍內(nèi)，且當(dāng)負(fù)載率低于85%的時候，功率因素隨負(fù)載率的減小而下降非常明顯[5]。有數(shù)據(jù)表明，永磁同步電動機一般效率在96%以上，功率因數(shù)在0.97以上，而異步電效率在92%以下，功率因數(shù)在0.66左右。由于永磁同步電動機在正常工作時沒有轉(zhuǎn)子繞組損耗，無功勵磁電流相對較少，功率因數(shù)接近1，較高的功率因數(shù)又使定子電流偏小，定子銅耗也較小。在同規(guī)格的情況下，永磁同步電動機的效率比傳統(tǒng)感應(yīng)電動機可以高出5-15%[6]。并且永磁同步電動機在負(fù)載率較低的時候仍能夠維持較高的功率因數(shù)，所以在輕載的情況下其節(jié)能效果更加顯著。永磁同步電機和傳統(tǒng)感應(yīng)電機的效率對比如圖1所示。

圖1 永磁電動機、感應(yīng)電動機的效率曲線

從負(fù)載范圍和功率因數(shù)的角度出發(fā)，低速永磁同步電動機在負(fù)載率低的情況下效率好功率因數(shù)方面的優(yōu)點更加明顯。尤其當(dāng)感應(yīng)電動機的極對數(shù)較多時，勵磁電流的增加使它的效率和功率因數(shù)的降低更加嚴(yán)重。永磁同步電機和傳統(tǒng)感應(yīng)電機的功率因數(shù)對比如圖2所示。

圖2 永磁動電機、感應(yīng)電動機的功率因數(shù)曲線

在功率因數(shù)和效率方面的性能特點，使低速永磁同步電動機在節(jié)能上比傳統(tǒng)感應(yīng)電動機更有優(yōu)勢。

1.3 結(jié)構(gòu)靈活、可靠性高、低噪音

由于永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子是永磁體，可以通過改變永磁鐵的形狀和磁路設(shè)計簡化結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際應(yīng)用的需要設(shè)計電動機的尺寸[7]。因其在起動轉(zhuǎn)矩方面的優(yōu)勢，低速永磁同步電動機在功率相同的情況下體積和重量更小，加上不用考慮轉(zhuǎn)子的散熱問題，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單，運行更加安全可靠，電動機在安裝拆卸、維修保養(yǎng)方面的操作相對更簡單，且成本相對較小。

除此之外，低速永磁同步電動機沒有減速機、皮帶輪等機械減速傳動裝置，也就取消了傳動裝置在運行時因設(shè)備磨損、零件松動造成的故障及其相關(guān)的維護工作帶來的困擾，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性，同時降低了運行時的振動和噪音，而且在客觀上也提升了整個系統(tǒng)的傳動效率[8]。噪音的降低在一定程度上拓寬了低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機的應(yīng)用場景，可以應(yīng)用在對靜音要求較高的設(shè)備中。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷程

永磁電動機最早出現(xiàn)于19世紀(jì)，雖然當(dāng)時的人們能認(rèn)識到永磁體在電動機中具有很高的應(yīng)用價值，但受制于當(dāng)時的永磁材料的性能問題，在其出現(xiàn)后近百年之間沒有得到大規(guī)模的發(fā)展。直到1930年代，隨著鐵氧體材料和鋁鈷鎳材料的相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，永磁體再一次被重視，相關(guān)的永磁電動機技術(shù)也隨之得到發(fā)展，但是依然面臨著造價成本等方面的問題，永磁電動機的應(yīng)用依然難以推廣。到了1960年代，鐵氧體材料在電動機上得到大規(guī)模應(yīng)用，永磁電動機有了很大發(fā)展，在80年代，釹鐵硼稀土永磁材料問世使永磁體的制造成本有所下降，加上其他相關(guān)技術(shù)隨著時代不斷地發(fā)展，永磁電動機才得以應(yīng)用于各個行業(yè)中。永磁電動機的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 永磁電動機結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域

低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機雖然具有可靠性強、結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)勢和特點，但是造價成本較高，目前應(yīng)用的領(lǐng)域較為有限。目前主要應(yīng)用于電梯、冶金、電力煤炭的運輸、水泥行業(yè)的球磨機、農(nóng)業(yè)的攪拌器、水利工程的低速泵等行業(yè)場景中。

傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)采用主要有異步電動機+調(diào)速型液力耦合器(或液粘軟起動裝置)+減速器，CST軟起動裝置+三相異步電動機+行星減速器和變頻器+變頻三相異步電動機+減速器這幾種傳動方式[9]。這些傳動方式的一個共同點是都有減速器等傳動環(huán)節(jié)的存在，從而導(dǎo)致了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低、維護工作量大、維護成本高的問題。而且中間傳動環(huán)節(jié)的存在，必然會導(dǎo)致機械損耗增大，使得整個驅(qū)動系統(tǒng)的效率降低。

與以上傳統(tǒng)的裝置相比，低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機省去了中間的傳動裝置，加上其本身具有結(jié)構(gòu)靈活、節(jié)能高效、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬等一系列優(yōu)點，所以在各種直驅(qū)的行業(yè)中得以廣泛推廣和采用。比如在電梯曳引機上，它的可靠性就遠高于傳統(tǒng)的傳動裝置[10]，日本三菱公司首先采用了永磁同步電動機作為電梯曳引機[11]，低速大扭矩永磁同步電機直驅(qū)系統(tǒng)完全滿足了電梯維護方便、高效節(jié)能的需要，已成為電梯市場的新熱點。

在水泥球磨機、選粉機上使用低速永磁同步電動機普遍可以降低10-30%的能耗[12]。在攪拌器的應(yīng)用中，電機通過法蘭和減速器連接，這種結(jié)構(gòu)通常因為振動較大而造成漏油故障頻發(fā)，增加了維護的工作量，影響正常生產(chǎn)。改為使用永磁同步電動機之后，不僅驅(qū)動系統(tǒng)效率顯著提高，節(jié)約了能耗，而且由于驅(qū)動系統(tǒng)故障率的降低而大大降低了維護的時間成本、延長了設(shè)備的安全使用時間[13]。

在處理污水、抗洪排澇、灌溉農(nóng)田等方面，通常會用到的水泵多為400 r/min以下的大流量低速泵[14-15]，在水及其相關(guān)工程中低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)系統(tǒng)同樣在受到越來越多的關(guān)注[16]。傳統(tǒng)的異步電機+減速器模式在水利工程的應(yīng)用中不僅存在維護成本高、系統(tǒng)效率低等方面的問題，而且由于異步電機體積較大，導(dǎo)致流道截面面積減小，在潛水灌流泵的應(yīng)用中這項問題尤為突出。而低速永磁電動機具備體積小、質(zhì)量小的特點，在其基礎(chǔ)配套設(shè)施中更易于安裝。例如，20極300 r/min的永磁電動機的質(zhì)量僅為同轉(zhuǎn)速異步電機的一半甚至更小[17]。

2.3 發(fā)展趨勢

低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機的發(fā)展前景廣闊，在各行各業(yè)都可以有廣泛的應(yīng)用。但是，我國目前在這方面的發(fā)展還處在一個普遍性較強的階段，沒有實現(xiàn)針對某一個或某幾個行業(yè)的電動機的專業(yè)化，通過向?qū)I(yè)化方向的發(fā)展可以幫助相關(guān)行業(yè)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)配置，提高低速永磁同步電動機的制作工藝。

同時，由于我國工業(yè)水平的提高，各行業(yè)對電機的性能要求也日漸提高。低速永磁同步電動機因其自身的特點，在可靠性、穩(wěn)定性、后期的維修養(yǎng)護等方面優(yōu)于傳統(tǒng)電機，其結(jié)構(gòu)雖然相對較簡單，在體積方面具備一定的優(yōu)勢，但仍然沒有達到輕量、靈活的標(biāo)準(zhǔn)。在精密制造的需求越來越高的背景下，低速永磁同步電動機在高性能化的發(fā)展方向上也會比傳統(tǒng)電機有更大的優(yōu)勢和發(fā)展空間[18]。

另外，高性能的永磁同步電動機與電子技術(shù)、微控技術(shù)相結(jié)合，可以產(chǎn)生出新的機電一體化產(chǎn)品，這樣的產(chǎn)品更加符合未來工業(yè)的發(fā)展方向和我國建設(shè)高精尖制造型企業(yè)的需求[19]。

2.4 應(yīng)用案例

用永磁同步電動機替代異步電機和減速器的組合可以顯著提高整體的機械效率。

陽泉冀東水泥有限責(zé)任公司的水泥磨選粉機原本采用的是異步電機和減速器組合的驅(qū)動方案[20]。該驅(qū)動在長期運行后，發(fā)現(xiàn)存在如下問題：

(1)由于減速機箱體內(nèi)充滿潤滑油，導(dǎo)致機體散熱效果差，溫升高，縮減了減速機的使用壽命；

(2)減速機在工作中產(chǎn)生的油泥、鐵屑容易進入到下部軸承中，造成磨損增大，使減速機易發(fā)生故障；

(3)產(chǎn)生的油泥和鐵屑在日常護理時無法徹底清理，長期的磨損使減速機的密封受損，出現(xiàn)潤滑油泄漏的情況；

(4)異步電機和減速機的高速軸轉(zhuǎn)速很高，運行時振動較大，出現(xiàn)過斷裂的現(xiàn)象。

鑒于以上諸多問題，為提高設(shè)備運行的可靠性，該公司改為使用永磁直驅(qū)電機。改造前后的參數(shù)對比如表1、表2所示。

表1 異步電機參數(shù)

表2 永磁直驅(qū)電機參數(shù)

改造后，不僅解決了減速機帶來的設(shè)備穩(wěn)定性方面的問題，而且對比在選粉機主軸轉(zhuǎn)速和進料量相同時電機運行電流數(shù)據(jù)，采用永磁直驅(qū)電機的運行電流較改造前下降了29.8%。

另外，永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩密度在相同條件下明顯優(yōu)于同機座號的異步電機，冷卻方式與結(jié)構(gòu)的選擇也會對電動機的散熱損耗形成一定的影響。以煤礦工作面上使用的相同功率等級和相同基座高度的Y355M和Y560-12兩種型號的異步電機和采取風(fēng)冷、水冷方式的永磁同步電動機作為對比，電動機各自的單位散熱面積上的損耗如表3與表4所示[21]。

表3 考慮全部表面積的損耗對比

表4 只考慮電機機殼表面面積的損耗對比

由以上表格可見，在此案例中水冷方案優(yōu)于風(fēng)冷方案，而所設(shè)計的水冷方案的轉(zhuǎn)矩密度為60.3 kN·m/m3，是Y560-12型號三相異步電動機的兩倍。

3 相關(guān)技術(shù)

3.1 永磁同步電動機的設(shè)計技術(shù)

由于永磁同步電動機沒有轉(zhuǎn)子的電勵磁繞組，電動機的勵磁磁場由永磁體提供，電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩會增加運行時的噪音和振動，齒槽轉(zhuǎn)矩過大甚至?xí)绊懙诫姍C的低速性能和位置的控制精度，這會使低速永磁同步電動機相比于傳統(tǒng)的異步感應(yīng)電動機的優(yōu)勢被削弱。所以在設(shè)計電機時，應(yīng)設(shè)法優(yōu)化電機使齒槽轉(zhuǎn)矩減小。其方法主要有改變極弧系數(shù)，減小定子槽口的寬度，改變磁極位置、尺寸和形狀等[22]。但是在減小齒槽轉(zhuǎn)矩的同時，電機的電磁轉(zhuǎn)矩可能也會同時減小，所以設(shè)計電機時應(yīng)綜合考慮各種因素使電機的性能達到最佳。

3.2 溫度場分析、耐高溫、散熱技術(shù)

在高溫環(huán)境下工作時，電機的電磁場、溫度場、流體場等多個物理量之間的關(guān)系相互影響不能忽略。限值的多物理場耦合分析方法是以交替迭代法為主[23]。國內(nèi)外目前正在進行有關(guān)電機溫升算法改進方面的研究，致力于構(gòu)建更準(zhǔn)確的電機內(nèi)部溫度場模型，探索改善散熱技術(shù)的方法[24-25]。

如果溫升過高，可能會導(dǎo)致永磁體長時間處于過熱狀態(tài)而發(fā)生退磁現(xiàn)象，使電機的輸出功率大幅下降。長期的高溫也會造成繞組絕緣的老化和損壞，嚴(yán)重的可能會發(fā)生安全事故。所以溫升是永磁同步電動機要考慮的一個重要性能指標(biāo)，溫升關(guān)系到電機是否滿足長期可靠的運行要求。在耐高溫方面，電機的永磁材料是最薄弱的環(huán)節(jié)，在高溫環(huán)境下永磁材料的剩磁會減少，使電機無法輸出足夠大的功率。因此增強永磁體的耐熱高溫能力是提高電機耐熱等級的一個重要思路。永磁材料領(lǐng)域目前的熱門研究方向是釤鐵氮永磁材料。釤鐵氮永磁材料具有飽和磁化強度高、居里溫度高、成本低的優(yōu)點，而目前有待解決的問題是如何將釤鐵氮磁粉制作成永磁體并同時具備較高的矯頑力，這是關(guān)系到釤鐵氮材料能否在這個領(lǐng)域普及的重要問題[26]。對于低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機，散熱技術(shù)的研究尤為關(guān)鍵：一方面如果功率密度高、溫升較大，但由于其轉(zhuǎn)速低，采用自扇冷卻的方式難以達到理想的效果；另一方面如果功率密度低、溫升較小，可能僅需自冷卻即可滿足要求。若采取對電機轉(zhuǎn)子開通風(fēng)孔、散熱道等方法，可能對電機的磁路產(chǎn)生影響，如圖4所示。

圖4 軸向、徑向通風(fēng)道示意圖

因此輔助槽對機械結(jié)構(gòu)的影響也應(yīng)納入電機性能參數(shù)的考慮范圍，這方面尚有待系統(tǒng)且深入的研究。對電機內(nèi)部溫度場的分析以確定局部過熱點，在電機的冷卻方式的設(shè)計方面有重要意義。

3.3 機械強度的相關(guān)研究

低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機通常體積較大，電機的內(nèi)徑也相應(yīng)的較大，為降低電機本身的轉(zhuǎn)動慣量，實際應(yīng)用中通常采用輪輻式轉(zhuǎn)軸的設(shè)計，如圖5所示。這種設(shè)計的優(yōu)勢在于可以有效地提高永磁體的利用率，使氣隙中產(chǎn)生相同磁通的情況下使用更少的永磁體，從而達到減小轉(zhuǎn)動慣量的目的，但存在機械強度不足的問題[27]。輪輻式結(jié)構(gòu)的永磁體的輔板與軸體曲面的焊縫，在受到較大應(yīng)力的時候可能會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫甚至斷裂[28]。探究應(yīng)力的分布，找到緩解焊縫的應(yīng)力集中的方法能夠提高輪輻式永磁體在結(jié)構(gòu)上的可靠性，有助于低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機實際應(yīng)用的推廣。

圖5 輪輻式電機轉(zhuǎn)軸

4 結(jié) 語

在2014年，世界180多個國家為討論解決全球氣候變暖的措施召開了聯(lián)合國氣候變化框架公約會議，會后各國均提出了節(jié)能減排的目標(biāo)。在2020年年底，我國明確提出來了要力爭在2030年前達到碳排放的峰值，力爭2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。在這樣的政策背景下，工程器械在節(jié)能方面的要求會越來越高。目前廣泛使用的異步感應(yīng)電機由于變頻控制效果差、難以在低速情況下高效穩(wěn)定地運行等特點，在提升能效、節(jié)能減排等方面并不具備太多的提升空間。

而綜上所述，低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機因其結(jié)構(gòu)的特點，不僅穩(wěn)定性、可靠性、功率因數(shù)和效率等性能指標(biāo)大大超過傳統(tǒng)的感應(yīng)電機，而且體積相對較小，結(jié)構(gòu)靈活，并且由于省去了傳動減速裝置，也減小了整體傳動系統(tǒng)的保養(yǎng)維護工作量和運行時發(fā)出的噪音所帶來的不便。使用低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機替代傳統(tǒng)感應(yīng)電機+減速裝置已成為各相關(guān)行業(yè)的發(fā)展趨勢。

但是永磁同步電動機本身的各種有關(guān)技術(shù)尚未發(fā)展成熟，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和耐高溫、散熱等技術(shù)方面還有進一步發(fā)展的空間。從發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機未來必將致力于提高性能，向著更加專業(yè)化的方向發(fā)展，并且結(jié)合機電一體化的趨勢最終實現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。