兩種直驅(qū)電機的工作原理

1．概述

所謂直驅(qū)就是將新型旋轉(zhuǎn)電機或直線電機直接耦合或連接到從動負(fù)載上實現(xiàn)驅(qū)動。由于取消了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的許多中間環(huán)節(jié)，如皮帶或鏈條或鋼絲繩和齒輪箱等部件，結(jié)構(gòu)大大簡化，從而使整個系統(tǒng)具有高效低耗、高速高精度、高可靠免維護、高剛度快響應(yīng)、無需潤滑、運行安靜等優(yōu)點。

直驅(qū)技術(shù)被國外工業(yè)界稱之為現(xiàn)代驅(qū)動技術(shù)中的先進方法和技術(shù)，被越來越多地應(yīng)用到各行業(yè)中。作為直驅(qū)技術(shù)最主要和關(guān)鍵的部分即為直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)電機（DDR）和直驅(qū)式直線電機（DDL），它不是簡單的將旋轉(zhuǎn)電機或直線電機搬到系統(tǒng)中去，而是要將這兩種電機根據(jù)不同的系統(tǒng)和工況進行系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計。本文技術(shù)正是完成了創(chuàng)新設(shè)計的（DDR）和（DDL），實現(xiàn)了直驅(qū)，取得了明顯的高效節(jié)能效果。本文就該技術(shù)所完成的一系列成果中的1例DDR（DDR1）和2例DDL（DDL1、DDL2）作一介紹。

直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)電機（DDR1）的基本原理與結(jié)構(gòu)

直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)電機（DDR1）的基本原理與結(jié)構(gòu)是采用永磁的方式，并設(shè)計了專門的盤面電機，同時 充分利用了外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)兩端面的空間，將兩個盤面電機的定子與外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)的定子固定在一起，兩個盤面電機的轉(zhuǎn)子盤與外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子筒構(gòu)成一個三維封閉的外轉(zhuǎn)子。在同樣的空間體積下，這種復(fù)式結(jié)構(gòu)較單個外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)和單個盤形結(jié)構(gòu)的電機能產(chǎn)生更大的電磁轉(zhuǎn)矩。復(fù)式永磁同步電動機的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可見，直驅(qū)復(fù)式三維永磁電機由三組相對獨立的定、轉(zhuǎn)子組復(fù)合而成，可以視為一個圓筒形的外轉(zhuǎn)子式永磁電機與兩個圓盤形的軸向磁通永磁電機合成的結(jié)構(gòu)。但三者之間不是完全獨立的，它們是相互影響、相互作用的統(tǒng)一體。要使直驅(qū)復(fù)式三維永磁電機能轉(zhuǎn)動并輸出轉(zhuǎn)矩，必須使三個定轉(zhuǎn)子組形成的三個電磁系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致。根據(jù)直接驅(qū)動抽油機的結(jié)構(gòu)條件, 復(fù)合式三維永磁電機必須滿足低速大力矩的驅(qū)動要求。在復(fù)合式三維永磁電機的研發(fā)中，我們解決了以下幾個關(guān)鍵技術(shù)問題即：

研發(fā)了全新的復(fù)式電機結(jié)構(gòu)形式，使電機的功率密度達(dá)到最大化 全新的電磁場分布形式，使電機的機電能量變換達(dá)到最佳化

直驅(qū)式直線電機（DDL1、DDL2）的基本原理與結(jié)構(gòu)

直驅(qū)式直線電機DDL1主要是為懸掛輸送系統(tǒng)開發(fā)的，這種電機在系統(tǒng)中必須滿足以下條件：

單相直線感應(yīng)電機具有多種不同結(jié)構(gòu)，適用于不同場合。若要滿足以上條件，需要采用結(jié)構(gòu)最簡單的2 極電容運行電機，其主副相線圈都只有一個，由于系統(tǒng)運行速度不快，因此電機極距較小，限制了槽寬的大小，為了放置線圈初級鐵芯需大大增加槽高，槽高/槽寬比普通電機大,稱之為深槽結(jié)構(gòu)。通過特深槽結(jié)構(gòu)亦可提高啟動力矩。本項目電機主要解決了以下幾個問題：

直驅(qū)式直線電機DDL2主要是為食品切片機與電梯門機開發(fā)的，這些系統(tǒng)的直驅(qū)式直線電機要具備調(diào)速范圍寬、推力密度大、推力穩(wěn)定響應(yīng)快等特點，而現(xiàn)有直線電機往往會遇到體積過大、推力不足、推力波動大、響應(yīng)慢、溫升過高等問題，這些問題對直驅(qū)式直線電機的設(shè)計提出了更高的要求。本直驅(qū)式直線電機DDL2由基本的動子（初級）和定子（次級）兩部分結(jié)構(gòu)組成。定子部分主要由永磁體、導(dǎo)磁體和不銹鋼套管構(gòu)成，永磁體采用軸向充磁方式。動子部分由三相電樞繞組、繞組骨架以及機殼構(gòu)成。繞組采用空心餅式線圈形式，它直接繞制在骨架槽內(nèi)，槽滿率高，無端部，銅材利用率高，銅耗小，電機節(jié)能效果更好。圓筒型永磁直線同步電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

該電機通過無槽空心式線圈結(jié)構(gòu)、永磁體的合理排列以及整體優(yōu)化設(shè)計使該電機具有以下特點：

2．實施與應(yīng)用效果

DDR1的實施與應(yīng)用效果

目前油田中所使用的抽油機絕大部分是傳統(tǒng)的游梁式抽油機（俗稱“磕頭機”， 圖4）。這種抽油機由普通旋轉(zhuǎn)電機（異步電動機或同步電動機）驅(qū)動，經(jīng)多級減速箱并經(jīng)連桿和游梁作每分鐘6－10次的往復(fù)運動。由于傳統(tǒng)的游梁式抽油機機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電機驅(qū)動需經(jīng)多級減速箱和連桿機構(gòu)輸出，使得抽油機的效率很低，一般系統(tǒng)整體效率只有30%－40%左右。傳統(tǒng)的游梁式抽油機，能耗大、難維修，已經(jīng)不能很好適應(yīng)油井需要。全國油田，傳統(tǒng)抽油機一年的耗電費用就是幾百億KW.h。因此研制開發(fā)高效節(jié)能的新型油田抽油機對于節(jié)能降耗具有非常重要的意義。

為從根本上解決抽油機系統(tǒng)效率低下的問題，需開發(fā)一種新型高效節(jié)能電機，使電機可以在低速情況下輸出大扭矩直接驅(qū)動抽油泵進行工作，從而實現(xiàn)電動機對抽油泵的直接驅(qū)動模式（直驅(qū)式抽油機系統(tǒng)）。如果采用了直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)方式，可取消傳統(tǒng)抽油機的多級中間傳動機構(gòu)，不僅可省去龐大的游梁、驢頭和復(fù)雜齒輪減速箱，使得結(jié)構(gòu)大為簡化，體積大大減小，特別是整機效率可大大提高。達(dá)到有效節(jié)能的目的。

直驅(qū)式抽油機系統(tǒng)的主要核心是低速大力矩電機的研制開發(fā)。目前國內(nèi)外低速大力矩電機均采用永磁同步電機結(jié)構(gòu)。永磁電機與傳統(tǒng)的電勵磁同步電機相比，省去了電勵磁繞組，實現(xiàn)了無刷化，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠；體積小、重量輕；損耗少、效率高。但目前一些低速大力矩電機僅滿足了部分使用場合的要求，在大多數(shù)使用場合下，電機速度仍需通過減速箱降到所需速度輸出，電機有效面積不能充分利用，滿足不了用戶低速大力矩的要求。直驅(qū)復(fù)合式三維永磁電機完全改變了現(xiàn)有傳統(tǒng)電機的結(jié)構(gòu)，充分利用了電機的三維空間，具有高功率密度的輸出特性，更符合電機機電能量變換的要求和低速大力矩驅(qū)動要求，可以在低速情況下直接驅(qū)動負(fù)載。滿足了用戶低速大力矩的要求。

整機效率大大提高直驅(qū)復(fù)式三維永磁電機抽油機已在中原油田、大港油田、大慶油田、華北油田等幾十口井上得到了應(yīng)用，并通過了投產(chǎn)試驗，抽油機性能測試由中原油田分公司技術(shù)檢測中心、大港油田集團檢測評價中心、中國石油天然氣集團公司油田節(jié)能監(jiān)測中心、國家油氣田井口設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心等通過對油田油井上使用的原游梁式抽油機和新型復(fù)式三維永磁電機抽油機的對比檢測，有功節(jié)電均達(dá)50%以上，無功節(jié)電可高達(dá)90%以上。 直驅(qū)復(fù)式三維永磁電機驅(qū)動的抽油機除節(jié)電顯著以外，還使抽油機重量和占地面積減少50%以上，產(chǎn)量提高50%以上。用電設(shè)備容量減少50%以上，噪音減少30分貝。表1為中原油田復(fù)式永磁電機抽油機與游梁式抽油機在H2-40井上的耗電量對比。

該電機如進一步應(yīng)用于現(xiàn)有抽油機的改造以及展開應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品以及機械等行業(yè)。其效益將會更大。

DDL的實施與應(yīng)用效果

1.（DDL1）的實施與應(yīng)用效果
郵政輸送用郵政推掛系統(tǒng)，通常采用旋轉(zhuǎn)電機加鏈輪、皮帶等中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)來實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪音大，效率低。整個推掛線由一個功率較大的電機拖動，動力集中，運行時不管負(fù)載多少整個物流線都一起拖動，因此在輕載時系統(tǒng)效率很低。在組線靈活性方面如增加或減少輸送線的長度也存在欠缺，其運行效率已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代輸送要求，噪音也大大超標(biāo)。要解決這個問題，必須去掉鏈輪、皮帶等中間傳動環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)效率節(jié)約能量，最好的辦法就是采用直線直驅(qū)技術(shù)。采用大量的小功率直線電機來驅(qū)動負(fù)載，采用分段通電，動力分散安排，實現(xiàn)負(fù)載到哪電通到哪的方法。從而達(dá)到高效節(jié)能的目的。廣州郵件處理中心花巨資從瑞士GILGEN 公司購買了直驅(qū)式郵政懸掛輸送系統(tǒng)（如圖5所示）該系統(tǒng)主要部件是直驅(qū)直線電機單元，一個基本單元是一個直線電機加一個智能控制卡構(gòu)成，結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，維修簡單。沿線1897 個單元將懸掛于路軌上的小車向前推進，使小車攜帶包裹到達(dá)其目的地。在該項技術(shù)中，直驅(qū)直線電機是整個懸掛輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其數(shù)目眾多，性能與成本是懸掛輸送系統(tǒng)開發(fā)的重要影響因素。

目前從國外引進的這種懸掛輸送系統(tǒng)，價格昂貴，我國不可能大量地引進此種設(shè)備，自主研究開發(fā)這種懸掛輸送系統(tǒng)非常必要，因此首先需要攻克懸掛輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵部分-直驅(qū)直線電機，為我國自主研發(fā)懸掛輸送系統(tǒng)提供重要的基礎(chǔ)，也可以大大降低現(xiàn)有國外引進懸掛輸送系統(tǒng)的維修成本。

本項目所開發(fā)的電機的性能已達(dá)到、部分指標(biāo)超過了國外同類產(chǎn)品。如表2

隨著國內(nèi)郵政輸送要求的提高，直線電機直驅(qū)的郵政懸掛輸送系統(tǒng)將有很好的應(yīng)用前景。如果國內(nèi)自主開發(fā)直驅(qū)式郵政懸掛輸送系統(tǒng)，將大大降低系統(tǒng)成本，提高產(chǎn)品的競爭力。每條輸送系統(tǒng)需要幾千個這樣的電機，其價格與性能對輸送系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，因此可以說輸送系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一就是深槽單相直線感應(yīng)電機的研制。 本電機主要針對郵政輸送系統(tǒng)開發(fā)，但該輸送系統(tǒng)可以推廣至機械、食品、醫(yī)藥、民用等行業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。若以一年生產(chǎn)20 條輸送系統(tǒng)，即使價格僅為國外的一半其產(chǎn)值也可達(dá)2億元以上，且其節(jié)電按每天8小時80KW.h，則年生產(chǎn)20 條輸送系統(tǒng)的節(jié)電可達(dá)50萬KW.h。

2. （DDL2）的實施與應(yīng)用效果

傳統(tǒng)的食品切片機和電梯門機設(shè)備，其驅(qū)動電機均采用旋轉(zhuǎn)電機，通過變速箱、皮帶輪組、連桿等轉(zhuǎn)換機構(gòu)，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為負(fù)載的直線運動。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的食品切片機和電梯門機具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、故障率高、維護成本高、系統(tǒng)效率低、響應(yīng)慢、噪音大、有油污等缺點。為克服原有設(shè)備的缺點，我們采用圓筒型永磁直線同步電機作為驅(qū)動電機，取消了轉(zhuǎn)換機構(gòu)，電機與負(fù)載之間剛性連接，這種直驅(qū)式食品切片機和電梯門機整體結(jié)構(gòu)大大簡化，性能顯著提高。圖5為直線電機作為直驅(qū)的電梯門機。

目前國內(nèi)自行設(shè)計制造的食品切片機與電梯門機所用直驅(qū)式圓筒型永磁直線電機的產(chǎn)品幾乎沒有，國外生產(chǎn)同類產(chǎn)品的公司主要有Copley 公司。表3則對國產(chǎn)電機與Copley 電機的性能進行了比較。

通過比較，國產(chǎn)電機的推力常數(shù)和反電勢常數(shù)都要高于Copley 公司的產(chǎn)品。相應(yīng)地，在相同工況下，國產(chǎn)電機的電流要小于Copley 電機，功率和效率也均高于Copley 電機。尤其是在工況3 下，Copley 電機的電流超過其額定電流，導(dǎo)致溫升過高，只能持續(xù)運行2 小時，而浙大電機電流較小，仍然可以無限制持續(xù)運行。

與國外電機相比，國產(chǎn)電機性能更好，且價格僅為國外產(chǎn)品的1/4 左右，無疑國產(chǎn)電機將具有更強的市場競爭力。食品切片機已由美國ITW 公司于2008 年批量生產(chǎn)。