低速大转矩永磁同步电动机研究综述

柳也东

(威凯检测技术有限公司，广州 510663)

0 引 言

电动机是电能转换为机械能的过程中不可缺少的一部分，是现代工业的主要动力来源，在工业以及工业相关的各个领域的生产中被广泛运用。为了提高电动机的输出性能，就要对电动机的结构进行优化。众所周知，对于大部分的重载机械装置，如果想要满足特定的技术条件，就必须通过增加减速器的方式，来降低运行的转速。而减速器作为一个动力源和执行单位之间的环节，它的存在不仅增加了制造和维护的成本，而且增大了整个机械装置的体积，给生产带来了很多负面影响，不符合经济发展和节能环保的要求[1]。

低速大转矩永磁同步电动机在运行时具有两个主要的优点：第一是能在低速时平稳地运行，第二是运行时的转矩足够高。这两个优点使其应用在重载机械装置中成为可能。又因其具有结构简单，体积小，效率高，尺寸和形状的设计较为灵活的特点，因此，这类电动机受到各行业的关注越来越多，使用低速大转矩永磁同步电动机替代传统的重载驱动系统成为国内外学者的共识[2]。低速大转矩电动机目前没有严格的定义，通常指的是转速低于500 r/min、传动力矩高于500 Nm的一类电动机传动系统，转速低于50 r/min称为超低速电动机[3]。

1 特点分析

1.1 转速低、转矩大

与传统电动机相比，低速大转矩永磁同步电动机的气隙磁场由永磁体产生，永磁体的形状设计和磁路设计更多样，这样就可以根据具体需要灵活的设计，简化电动机的结构。两者的起动转矩在相同条件下最高可能相差到15倍之多[4]，传统的电动机起动时存在最小转矩，而低速大转矩永磁同步电动机是变频起动，没有最小转矩的限制，所以它可以在负载有限的时候提供更大的转矩，因而更顺利实现起动。在某些特定的情况下，传统电动机在起动时需要通过提高功率的方式获得足够的转矩，这样一来会消耗更多的电能，而低速大转矩永磁同步电动机就不需要通过这种方式起动。

1.2 功率因数、效率高

电动机的损耗主要分为铁耗、铜耗、机械损耗、杂散损耗等。传统的感应电动机在运行中必然有定子铜耗，而定子铜耗在电动机的所有损耗中的占比约为33%。损耗的存在很大程度上降低了电能转化为机械能的效率。目前广泛使用的三相异步电动机的经济运行范围通常只在额定负载的60%到100% 的范围内，且当负载率低于85%的时候，功率因素随负载率的减小而下降非常明显[5]。有数据表明，永磁同步电动机一般效率在96%以上，功率因数在0.97以上，而异步电效率在92%以下，功率因数在0.66左右。由于永磁同步电动机在正常工作时没有转子绕组损耗，无功励磁电流相对较少，功率因数接近1，较高的功率因数又使定子电流偏小，定子铜耗也较小。在同规格的情况下，永磁同步电动机的效率比传统感应电动机可以高出5-15%[6]。并且永磁同步电动机在负载率较低的时候仍能够维持较高的功率因数，所以在轻载的情况下其节能效果更加显著。永磁同步电机和传统感应电机的效率对比如图1所示。

图1 永磁电动机、感应电动机的效率曲线

从负载范围和功率因数的角度出发，低速永磁同步电动机在负载率低的情况下效率好功率因数方面的优点更加明显。尤其当感应电动机的极对数较多时，励磁电流的增加使它的效率和功率因数的降低更加严重。永磁同步电机和传统感应电机的功率因数对比如图2所示。

图2 永磁动电机、感应电动机的功率因数曲线

在功率因数和效率方面的性能特点，使低速永磁同步电动机在节能上比传统感应电动机更有优势。

1.3 结构灵活、可靠性高、低噪音

由于永磁同步电动机的转子是永磁体，可以通过改变永磁铁的形状和磁路设计简化结构，根据实际应用的需要设计电动机的尺寸[7]。因其在起动转矩方面的优势，低速永磁同步电动机在功率相同的情况下体积和重量更小，加上不用考虑转子的散热问题，内部结构相对简单，运行更加安全可靠，电动机在安装拆卸、维修保养方面的操作相对更简单，且成本相对较小。

除此之外，低速永磁同步电动机没有减速机、皮带轮等机械减速传动装置，也就取消了传动装置在运行时因设备磨损、零件松动造成的故障及其相关的维护工作带来的困扰，提高了整个系统的稳定性可靠性，同时降低了运行时的振动和噪音，而且在客观上也提升了整个系统的传动效率[8]。噪音的降低在一定程度上拓宽了低速大转矩永磁同步电动机的应用场景，可以应用在对静音要求较高的设备中。

2 应用现状

2.1 发展历程

永磁电动机最早出现于19世纪，虽然当时的人们能认识到永磁体在电动机中具有很高的应用价值，但受制于当时的永磁材料的性能问题，在其出现后近百年之间没有得到大规模的发展。直到1930年代，随着铁氧体材料和铝钴镍材料的相关技术的发展，永磁体再一次被重视，相关的永磁电动机技术也随之得到发展，但是依然面临着造价成本等方面的问题，永磁电动机的应用依然难以推广。到了1960年代，铁氧体材料在电动机上得到大规模应用，永磁电动机有了很大发展，在80年代，钕铁硼稀土永磁材料问世使永磁体的制造成本有所下降，加上其他相关技术随着时代不断地发展，永磁电动机才得以应用于各个行业中。永磁电动机的基本结构如图3所示。

图3 永磁电动机结构示意图

2.2 应用领域

低速大转矩永磁同步电动机虽然具有可靠性强、结构简单、效率高等优势和特点，但是造价成本较高，目前应用的领域较为有限。目前主要应用于电梯、冶金、电力煤炭的运输、水泥行业的球磨机、农业的搅拌器、水利工程的低速泵等行业场景中。

传统的驱动系统采用主要有异步电动机+调速型液力耦合器(或液粘软起动装置)+减速器，CST软起动装置+三相异步电动机+行星减速器和变频器+变频三相异步电动机+减速器这几种传动方式[9]。这些传动方式的一个共同点是都有减速器等传动环节的存在，从而导致了整个系统的稳定性降低、维护工作量大、维护成本高的问题。而且中间传动环节的存在，必然会导致机械损耗增大，使得整个驱动系统的效率降低。

与以上传统的装置相比，低速大转矩永磁同步电动机省去了中间的传动装置，加上其本身具有结构灵活、节能高效、转矩平稳、起动转矩大、调速范围宽等一系列优点，所以在各种直驱的行业中得以广泛推广和采用。比如在电梯曳引机上，它的可靠性就远高于传统的传动装置[10]，日本三菱公司首先采用了永磁同步电动机作为电梯曳引机[11]，低速大扭矩永磁同步电机直驱系统完全满足了电梯维护方便、高效节能的需要，已成为电梯市场的新热点。

在水泥球磨机、选粉机上使用低速永磁同步电动机普遍可以降低10-30%的能耗[12]。在搅拌器的应用中，电机通过法兰和减速器连接，这种结构通常因为振动较大而造成漏油故障频发，增加了维护的工作量，影响正常生产。改为使用永磁同步电动机之后，不仅驱动系统效率显著提高，节约了能耗，而且由于驱动系统故障率的降低而大大降低了维护的时间成本、延长了设备的安全使用时间[13]。

在处理污水、抗洪排涝、灌溉农田等方面，通常会用到的水泵多为400 r/min以下的大流量低速泵[14-15]，在水及其相关工程中低速大转矩永磁直驱系统同样在受到越来越多的关注[16]。传统的异步电机+减速器模式在水利工程的应用中不仅存在维护成本高、系统效率低等方面的问题，而且由于异步电机体积较大，导致流道截面面积减小，在潜水灌流泵的应用中这项问题尤为突出。而低速永磁电动机具备体积小、质量小的特点，在其基础配套设施中更易于安装。例如，20极300 r/min的永磁电动机的质量仅为同转速异步电机的一半甚至更小[17]。

2.3 发展趋势

低速大转矩永磁同步电动机的发展前景广阔，在各行各业都可以有广泛的应用。但是，我国目前在这方面的发展还处在一个普遍性较强的阶段，没有实现针对某一个或某几个行业的电动机的专业化，通过向专业化方向的发展可以帮助相关行业优化产业配置，提高低速永磁同步电动机的制作工艺。

同时，由于我国工业水平的提高，各行业对电机的性能要求也日渐提高。低速永磁同步电动机因其自身的特点，在可靠性、稳定性、后期的维修养护等方面优于传统电机，其结构虽然相对较简单，在体积方面具备一定的优势，但仍然没有达到轻量、灵活的标准。在精密制造的需求越来越高的背景下，低速永磁同步电动机在高性能化的发展方向上也会比传统电机有更大的优势和发展空间[18]。

另外，高性能的永磁同步电动机与电子技术、微控技术相结合，可以产生出新的机电一体化产品，这样的产品更加符合未来工业的发展方向和我国建设高精尖制造型企业的需求[19]。

2.4 应用案例

用永磁同步电动机替代异步电机和减速器的组合可以显著提高整体的机械效率。

阳泉冀东水泥有限责任公司的水泥磨选粉机原本采用的是异步电机和减速器组合的驱动方案[20]。该驱动在长期运行后，发现存在如下问题：

(1)由于减速机箱体内充满润滑油，导致机体散热效果差，温升高，缩减了减速机的使用寿命；

(2)减速机在工作中产生的油泥、铁屑容易进入到下部轴承中，造成磨损增大，使减速机易发生故障；

(3)产生的油泥和铁屑在日常护理时无法彻底清理，长期的磨损使减速机的密封受损，出现润滑油泄漏的情况；

(4)异步电机和减速机的高速轴转速很高，运行时振动较大，出现过断裂的现象。

鉴于以上诸多问题，为提高设备运行的可靠性，该公司改为使用永磁直驱电机。改造前后的参数对比如表1、表2所示。

表1 异步电机参数

表2 永磁直驱电机参数

改造后，不仅解决了减速机带来的设备稳定性方面的问题，而且对比在选粉机主轴转速和进料量相同时电机运行电流数据，采用永磁直驱电机的运行电流较改造前下降了29.8%。

另外，永磁同步电动机的转矩密度在相同条件下明显优于同机座号的异步电机，冷却方式与结构的选择也会对电动机的散热损耗形成一定的影响。以煤矿工作面上使用的相同功率等级和相同基座高度的Y355M和Y560-12两种型号的异步电机和采取风冷、水冷方式的永磁同步电动机作为对比，电动机各自的单位散热面积上的损耗如表3与表4所示[21]。

表3 考虑全部表面积的损耗对比

表4 只考虑电机机壳表面面积的损耗对比

由以上表格可见，在此案例中水冷方案优于风冷方案，而所设计的水冷方案的转矩密度为60.3 kN·m/m3，是Y560-12型号三相异步电动机的两倍。

3 相关技术

3.1 永磁同步电动机的设计技术

由于永磁同步电动机没有转子的电励磁绕组，电动机的励磁磁场由永磁体提供，电动机的齿槽转矩会增加运行时的噪音和振动，齿槽转矩过大甚至会影响到电机的低速性能和位置的控制精度，这会使低速永磁同步电动机相比于传统的异步感应电动机的优势被削弱。所以在设计电机时，应设法优化电机使齿槽转矩减小。其方法主要有改变极弧系数，减小定子槽口的宽度，改变磁极位置、尺寸和形状等[22]。但是在减小齿槽转矩的同时，电机的电磁转矩可能也会同时减小，所以设计电机时应综合考虑各种因素使电机的性能达到最佳。

3.2 温度场分析、耐高温、散热技术

在高温环境下工作时，电机的电磁场、温度场、流体场等多个物理量之间的关系相互影响不能忽略。限值的多物理场耦合分析方法是以交替迭代法为主[23]。国内外目前正在进行有关电机温升算法改进方面的研究，致力于构建更准确的电机内部温度场模型，探索改善散热技术的方法[24-25]。

如果温升过高，可能会导致永磁体长时间处于过热状态而发生退磁现象，使电机的输出功率大幅下降。长期的高温也会造成绕组绝缘的老化和损坏，严重的可能会发生安全事故。所以温升是永磁同步电动机要考虑的一个重要性能指标，温升关系到电机是否满足长期可靠的运行要求。在耐高温方面，电机的永磁材料是最薄弱的环节，在高温环境下永磁材料的剩磁会减少，使电机无法输出足够大的功率。因此增强永磁体的耐热高温能力是提高电机耐热等级的一个重要思路。永磁材料领域目前的热门研究方向是钐铁氮永磁材料。钐铁氮永磁材料具有饱和磁化强度高、居里温度高、成本低的优点，而目前有待解决的问题是如何将钐铁氮磁粉制作成永磁体并同时具备较高的矫顽力，这是关系到钐铁氮材料能否在这个领域普及的重要问题[26]。对于低速大转矩永磁同步电动机，散热技术的研究尤为关键：一方面如果功率密度高、温升较大，但由于其转速低，采用自扇冷却的方式难以达到理想的效果；另一方面如果功率密度低、温升较小，可能仅需自冷却即可满足要求。若采取对电机转子开通风孔、散热道等方法，可能对电机的磁路产生影响，如图4所示。

图4 轴向、径向通风道示意图

因此辅助槽对机械结构的影响也应纳入电机性能参数的考虑范围，这方面尚有待系统且深入的研究。对电机内部温度场的分析以确定局部过热点，在电机的冷却方式的设计方面有重要意义。

3.3 机械强度的相关研究

低速大转矩永磁同步电机通常体积较大，电机的内径也相应的较大，为降低电机本身的转动惯量，实际应用中通常采用轮辐式转轴的设计，如图5所示。这种设计的优势在于可以有效地提高永磁体的利用率，使气隙中产生相同磁通的情况下使用更少的永磁体，从而达到减小转动惯量的目的，但存在机械强度不足的问题[27]。轮辐式结构的永磁体的辅板与轴体曲面的焊缝，在受到较大应力的时候可能会出现应力集中现象导致出现裂缝甚至断裂[28]。探究应力的分布，找到缓解焊缝的应力集中的方法能够提高轮辐式永磁体在结构上的可靠性，有助于低速大转矩永磁同步电机实际应用的推广。

图5 轮辐式电机转轴

4 结 语

在2014年，世界180多个国家为讨论解决全球气候变暖的措施召开了联合国气候变化框架公约会议，会后各国均提出了节能减排的目标。在2020年年底，我国明确提出来了要力争在2030年前达到碳排放的峰值，力争2060年前实现碳中和的目标。在这样的政策背景下，工程器械在节能方面的要求会越来越高。目前广泛使用的异步感应电机由于变频控制效果差、难以在低速情况下高效稳定地运行等特点，在提升能效、节能减排等方面并不具备太多的提升空间。

而综上所述，低速大转矩永磁同步电动机因其结构的特点，不仅稳定性、可靠性、功率因数和效率等性能指标大大超过传统的感应电机，而且体积相对较小，结构灵活，并且由于省去了传动减速装置，也减小了整体传动系统的保养维护工作量和运行时发出的噪音所带来的不便。使用低速大转矩永磁同步电动机替代传统感应电机+减速装置已成为各相关行业的发展趋势。

但是永磁同步电动机本身的各种有关技术尚未发展成熟，在结构设计和耐高温、散热等技术方面还有进一步发展的空间。从发展现状出发，低速大转矩永磁同步电动机未来必将致力于提高性能，向着更加专业化的方向发展，并且结合机电一体化的趋势最终实现广泛的应用。