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★中国电工技术学会出品★ 面向能源互联网的智能配电系统与装备 阅读会议通知，请戳下面标题 分析智能配电系统发展趋势 研讨配电物联网对装备制造业的挑战和机遇 参会注册，请识别下方二维码 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500N·m，用于直接驱动的电机，当转速低于50r/min为超低速电机。低速大转矩传动系统在工业生产、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，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+c/d，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（q＞1）和真分数槽（q＜1）两类，真分数槽绕组的绕组节距y1=1，每套线圈集中绕制在一个定子齿上，又称为真分数槽集中绕组。 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7r/min，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108kN·m/m3。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，Kazi Ahsanullah采用转速为143r/min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1。 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。 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750r/min，保持调磁环固定，在磁场调制作用下，转子转速为130r/min，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1～2个固定部分组成，机械结构复杂。在磁齿轮结构的基础上，永磁游标电机的研究发展得很快。 Byungtaek Kim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 曲荣海教授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。Andrea Cavagnino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（＜0.3）时，轴向磁通永磁电机的转矩密度更高。 卢琴芬教授提出一种适用于游梁式抽油机的永磁盘式电机，转速为15r/min。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100r/min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，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。 沈阳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80～120kN·m/m3；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120r/min，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，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，定子齿部和转子轭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214r/min，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（Printed Circuit Board, 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。Sanjida Moury提出一种采用PCB定子绕组的新型永磁盘式发电机，转速为72r/min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，成为船舶用直驱式海流发电机的良好选择。 Metin Aydin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Takeo Ishikawa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219kW/m3，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300r/min。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，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。 寇宝泉教授指出，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125r/min的样机，经过有限元仿真和试验验证，新型结构的转矩密度（8.22kN·m/m3）降低24%，但是永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、定子轭部厚度、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]提出一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38kN·m/m3），改善了功率因数（0.89），转速为300r/min，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[63]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270r/min。外定子采用分数槽集中绕组，减少槽数和定子轭部厚度；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机的结构优势，提高了转矩密度（达50kN·m/m3），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50r/min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160kW 90r/min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。David A. 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。 |
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