柳也東

(威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510663)

0 引 言

電動(dòng)機(jī)是電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過(guò)程中不可缺少的一部分，是現(xiàn)代工業(yè)的主要?jiǎng)恿?lái)源，在工業(yè)以及工業(yè)相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)中被廣泛運(yùn)用。為了提高電動(dòng)機(jī)的輸出性能，就要對(duì)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。眾所周知，對(duì)于大部分的重載機(jī)械裝置，如果想要滿足特定的技術(shù)條件，就必須通過(guò)增加減速器的方式，來(lái)降低運(yùn)行的轉(zhuǎn)速。而減速器作為一個(gè)動(dòng)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(hù)的成本，而且增大了整個(gè)機(jī)械裝置的體積，給生產(chǎn)帶來(lái)了很多負(fù)面影響，不符合經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)具有兩個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)：第一是能在低速時(shí)平穩(wěn)地運(yùn)行，第二是運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩足夠高。這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)使其應(yīng)用在重載機(jī)械裝置中成為可能。又因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，效率高，尺寸和形狀的設(shè)計(jì)較為靈活的特點(diǎn)，因此，這類電動(dòng)機(jī)受到各行業(yè)的關(guān)注越來(lái)越多，使用低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)替代傳統(tǒng)的重載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的共識(shí)[2]。低速大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)目前沒(méi)有嚴(yán)格的定義，通常指的是轉(zhuǎn)速低于500 r/min、傳動(dòng)力矩高于500 Nm的一類電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速低于50 r/min稱為超低速電動(dòng)機(jī)[3]。

1 特點(diǎn)分析

1.1 轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大

與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)相比，低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，永磁體的形狀設(shè)計(jì)和磁路設(shè)計(jì)更多樣，這樣就可以根據(jù)具體需要靈活的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。兩者的起動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)存在最小轉(zhuǎn)矩，而低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)是變頻起動(dòng)，沒(méi)有最小轉(zhuǎn)矩的限制，所以它可以在負(fù)載有限的時(shí)候提供更大的轉(zhuǎn)矩，因而更順利實(shí)現(xiàn)起動(dòng)。在某些特定的情況下，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)需要通過(guò)提高功率的方式獲得足夠的轉(zhuǎn)矩，這樣一來(lái)會(huì)消耗更多的電能，而低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)就不需要通過(guò)這種方式起動(dòng)。

1.2 功率因數(shù)、效率高

電動(dòng)機(jī)的損耗主要分為鐵耗、銅耗、機(jī)械損耗、雜散損耗等。傳統(tǒng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中必然有定子銅耗，而定子銅耗在電動(dòng)機(jī)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(jī)械能的效率。目前廣泛使用的三相異步電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在正常工作時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)子繞組損耗，無(wú)功勵(lì)磁電流相對(duì)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(dòng)機(jī)的效率比傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可以高出5-15%[6]。并且永磁同步電動(dòng)機(jī)在負(fù)載率較低的時(shí)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(jī)和傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的效率對(duì)比如圖1所示。

圖1 永磁電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在負(fù)載率低的情況下效率好功率因數(shù)方面的優(yōu)點(diǎn)更加明顯。尤其當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)較多時(shí)，勵(lì)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(jī)和傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的功率因數(shù)對(duì)比如圖2所示。

圖2 永磁動(dòng)電機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)曲線

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

1.3 結(jié)構(gòu)靈活、可靠性高、低噪音

由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，可以通過(guò)改變永磁鐵的形狀和磁路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的尺寸[7]。因其在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩方面的優(yōu)勢(shì)，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)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(wèn)題，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行更加安全可靠，電動(dòng)機(jī)在安裝拆卸、維修保養(yǎng)方面的操作相對(duì)更簡(jiǎn)單，且成本相對(duì)較小。

除此之外，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)沒(méi)有減速機(jī)、皮帶輪等機(jī)械減速傳動(dòng)裝置，也就取消了傳動(dòng)裝置在運(yùn)行時(shí)因設(shè)備磨損、零件松動(dòng)造成的故障及其相關(guān)的維護(hù)工作帶來(lái)的困擾，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性，同時(shí)降低了運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪音，而且在客觀上也提升了整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)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(dòng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景，可以應(yīng)用在對(duì)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(dòng)機(jī)最早出現(xiàn)于19世紀(jì)，雖然當(dāng)時(shí)的人們能認(rèn)識(shí)到永磁體在電動(dòng)機(jī)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值，但受制于當(dāng)時(shí)的永磁材料的性能問(wèn)題，在其出現(xiàn)后近百年之間沒(méi)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(dòng)機(jī)技術(shù)也隨之得到發(fā)展，但是依然面臨著造價(jià)成本等方面的問(wèn)題，永磁電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用依然難以推廣。到了1960年代，鐵氧體材料在電動(dòng)機(jī)上得到大規(guī)模應(yīng)用，永磁電動(dòng)機(jī)有了很大發(fā)展，在80年代，釹鐵硼稀土永磁材料問(wèn)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(shí)代不斷地發(fā)展，永磁電動(dòng)機(jī)才得以應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中。永磁電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 永磁電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)雖然具有可靠性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，但是造價(jià)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(yùn)輸、水泥行業(yè)的球磨機(jī)、農(nóng)業(yè)的攪拌器、水利工程的低速泵等行業(yè)場(chǎng)景中。

傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用主要有異步電動(dòng)機(jī)+調(diào)速型液力耦合器(或液粘軟起動(dòng)裝置)+減速器，CST軟起動(dòng)裝置+三相異步電動(dòng)機(jī)+行星減速器和變頻器+變頻三相異步電動(dòng)機(jī)+減速器這幾種傳動(dòng)方式[9]。這些傳動(dòng)方式的一個(gè)共同點(diǎn)是都有減速器等傳動(dòng)環(huán)節(jié)的存在，從而導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低、維護(hù)工作量大、維護(hù)成本高的問(wèn)題。而且中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的存在，必然會(huì)導(dǎo)致機(jī)械損耗增大，使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)省去了中間的傳動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬等一系列優(yōu)點(diǎn)，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(jī)上，它的可靠性就遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的傳動(dòng)裝置[10]，日本三菱公司首先采用了永磁同步電動(dòng)機(jī)作為電梯曳引機(jī)[11]，低速大扭矩永磁同步電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)完全滿足了電梯維護(hù)方便、高效節(jié)能的需要，已成為電梯市場(chǎng)的新熱點(diǎn)。

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

在處理污水、抗洪排澇、灌溉農(nóng)田等方面，通常會(huì)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(lái)越多的關(guān)注[16]。傳統(tǒng)的異步電機(jī)+減速器模式在水利工程的應(yīng)用中不僅存在維護(hù)成本高、系統(tǒng)效率低等方面的問(wèn)題，而且由于異步電機(jī)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(xiàng)問(wèn)題尤為突出。而低速永磁電動(dòng)機(jī)具備體積小、質(zhì)量小的特點(diǎn)，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(dòng)機(jī)的質(zhì)量?jī)H為同轉(zhuǎn)速異步電機(jī)的一半甚至更小[17]。

2.3 發(fā)展趨勢(shì)

低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)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(guó)目前在這方面的發(fā)展還處在一個(gè)普遍性較強(qiáng)的階段，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)針對(duì)某一個(gè)或某幾個(gè)行業(yè)的電動(dòng)機(jī)的專業(yè)化，通過(guò)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(dòng)機(jī)的制作工藝。

同時(shí)，由于我國(guó)工業(yè)水平的提高，各行業(yè)對(duì)電機(jī)的性能要求也日漸提高。低速永磁同步電動(dòng)機(jī)因其自身的特點(diǎn)，在可靠性、穩(wěn)定性、后期的維修養(yǎng)護(hù)等方面優(yōu)于傳統(tǒng)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)雖然相對(duì)較簡(jiǎn)單，在體積方面具備一定的優(yōu)勢(shì)，但仍然沒(méi)有達(dá)到輕量、靈活的標(biāo)準(zhǔn)。在精密制造的需求越來(lái)越高的背景下，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)在高性能化的發(fā)展方向上也會(huì)比傳統(tǒng)電機(jī)有更大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展空間[18]。

另外，高性能的永磁同步電動(dòng)機(jī)與電子技術(shù)、微控技術(shù)相結(jié)合，可以產(chǎn)生出新的機(jī)電一體化產(chǎn)品，這樣的產(chǎn)品更加符合未來(lái)工業(yè)的發(fā)展方向和我國(guó)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(dòng)機(jī)替代異步電機(jī)和減速器的組合可以顯著提高整體的機(jī)械效率。

陽(yáng)泉冀東水泥有限責(zé)任公司的水泥磨選粉機(jī)原本采用的是異步電機(jī)和減速器組合的驅(qū)動(dòng)方案[20]。該驅(qū)動(dòng)在長(zhǎng)期運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)存在如下問(wèn)題：

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

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

(3)產(chǎn)生的油泥和鐵屑在日常護(hù)理時(shí)無(wú)法徹底清理，長(zhǎng)期的磨損使減速機(jī)的密封受損，出現(xiàn)潤(rùn)滑油泄漏的情況；

(4)異步電機(jī)和減速機(jī)的高速軸轉(zhuǎn)速很高，運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大，出現(xiàn)過(guò)斷裂的現(xiàn)象。

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

表1 異步電機(jī)參數(shù)

表2 永磁直驅(qū)電機(jī)參數(shù)

改造后，不僅解決了減速機(jī)帶來(lái)的設(shè)備穩(wěn)定性方面的問(wèn)題，而且對(duì)比在選粉機(jī)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)料量相同時(shí)電機(jī)運(yùn)行電流數(shù)據(jù)，采用永磁直驅(qū)電機(jī)的運(yùn)行電流較改造前下降了29.8%。

另外，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度在相同條件下明顯優(yōu)于同機(jī)座號(hào)的異步電機(jī)，冷卻方式與結(jié)構(gòu)的選擇也會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)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(jí)和相同基座高度的Y355M和Y560-12兩種型號(hào)的異步電機(jī)和采取風(fēng)冷、水冷方式的永磁同步電動(dòng)機(jī)作為對(duì)比，電動(dòng)機(jī)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(duì)比

表4 只考慮電機(jī)機(jī)殼表面面積的損耗對(duì)比

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

3 相關(guān)技術(shù)

3.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)

由于永磁同步電動(dòng)機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)子的電勵(lì)磁繞組，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)由永磁體提供，電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)增加運(yùn)行時(shí)的噪音和振動(dòng)，齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大甚至?xí)绊懙诫姍C(jī)的低速性能和位置的控制精度，這會(huì)使低速永磁同步電動(dòng)機(jī)相比于傳統(tǒng)的異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)被削弱。所以在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，應(yīng)設(shè)法優(yōu)化電機(jī)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(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可能也會(huì)同時(shí)減小，所以設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素使電機(jī)的性能達(dá)到最佳。

3.2 溫度場(chǎng)分析、耐高溫、散熱技術(shù)

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

如果溫升過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致永磁體長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)熱狀態(tài)而發(fā)生退磁現(xiàn)象，使電機(jī)的輸出功率大幅下降。長(zhǎng)期的高溫也會(huì)造成繞組絕緣的老化和損壞，嚴(yán)重的可能會(huì)發(fā)生安全事故。所以溫升是永磁同步電動(dòng)機(jī)要考慮的一個(gè)重要性能指標(biāo)，溫升關(guān)系到電機(jī)是否滿足長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行要求。在耐高溫方面，電機(jī)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(huì)減少，使電機(jī)無(wú)法輸出足夠大的功率。因此增強(qiáng)永磁體的耐熱高溫能力是提高電機(jī)耐熱等級(jí)的一個(gè)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(qiáng)度高、居里溫度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，而目前有待解決的問(wèn)題是如何將釤鐵氮磁粉制作成永磁體并同時(shí)具備較高的矯頑力，這是關(guān)系到釤鐵氮材料能否在這個(gè)領(lǐng)域普及的重要問(wèn)題[26]。對(duì)于低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)，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(dá)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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子開(kāi)通風(fēng)孔、散熱道等方法，可能對(duì)電機(jī)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(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響也應(yīng)納入電機(jī)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(duì)電機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)的分析以確定局部過(guò)熱點(diǎn)，在電機(jī)的冷卻方式的設(shè)計(jì)方面有重要意義。

3.3 機(jī)械強(qiáng)度的相關(guān)研究

低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)通常體積較大，電機(jī)的內(nèi)徑也相應(yīng)的較大，為降低電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，實(shí)際應(yīng)用中通常采用輪輻式轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)，如圖5所示。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)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(dá)到減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的目的，但存在機(jī)械強(qiáng)度不足的問(wèn)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(shí)候可能會(huì)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(jī)實(shí)際應(yīng)用的推廣。

圖5 輪輻式電機(jī)轉(zhuǎn)軸

4 結(jié) 語(yǔ)

在2014年，世界180多個(gè)國(guó)家為討論解決全球氣候變暖的措施召開(kāi)了聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約會(huì)議，會(huì)后各國(guó)均提出了節(jié)能減排的目標(biāo)。在2020年年底，我國(guó)明確提出來(lái)了要力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到碳排放的峰值，力爭(zhēng)2060年前實(shí)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(huì)越來(lái)越高。目前廣泛使用的異步感應(yīng)電機(jī)由于變頻控制效果差、難以在低速情況下高效穩(wěn)定地運(yùn)行等特點(diǎn)，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(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，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(guò)傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)，而且體積相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)靈活，并且由于省去了傳動(dòng)減速裝置，也減小了整體傳動(dòng)系統(tǒng)的保養(yǎng)維護(hù)工作量和運(yùn)行時(shí)發(fā)出的噪音所帶來(lái)的不便。使用低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)替代傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)+減速裝置已成為各相關(guān)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

但是永磁同步電動(dòng)機(jī)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(jì)和耐高溫、散熱等技術(shù)方面還有進(jìn)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(dòng)機(jī)未來(lái)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(jī)電一體化的趨勢(shì)最終實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。