1．概述


所謂直驅就是將新型旋轉電機或直線(xiàn)電機直接耦合或連接到從動(dòng)負載上實(shí)現驅動(dòng)。由于取消了傳統系統中的許多中間環(huán)節，如皮帶或鏈條或鋼絲繩和齒輪箱等部件，結構大大簡(jiǎn)化，從而使整個(gè)系統具有高效低耗、高速高精度、高可靠免維護、高剛度快響應、無(wú)需潤滑、運行安靜等優(yōu)點(diǎn)。


直驅技術(shù)被國外工業(yè)界稱(chēng)之為現代驅動(dòng)技術(shù)中的先進(jìn)方法和技術(shù)，被越來(lái)越多地應用到各行業(yè)中。作為直驅技術(shù)最主要和關(guān)鍵的部分即為直驅式旋轉電機（DDR）和直驅式直線(xiàn)電機（DDL），它不是簡(jiǎn)單的將旋轉電機或直線(xiàn)電機搬到系統中去，而是要將這兩種電機根據不同的系統和工況進(jìn)行系統的創(chuàng )新設計。


本文技術(shù)正是完成了創(chuàng )新設計的（DDR）和（DDL），實(shí)現了直驅?zhuān)〉昧嗣黠@的高效節能效果。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。


直驅式旋轉電機（DDR1）的基本原理與結構


直驅式旋轉電機（DDR1）的基本原理與結構是采用永磁的方式，并設計了專(zhuān)門(mén)的盤(pán)面電機，同時(shí) 充分利用了外轉子式結構兩端面的空間，將兩個(gè)盤(pán)面電機的定子與外轉子式結構的定子固定在一起，兩個(gè)盤(pán)面電機的轉子盤(pán)與外轉子式結構的轉子筒構成一個(gè)三維封閉的外轉子。在同樣的空間體積下，這種復式結構較單個(gè)外轉子式結構和單個(gè)盤(pán)形結構的電機能產(chǎn)生更大的電磁轉矩。




從圖1可見(jiàn)，直驅復式三維永磁電機由三組相對獨立的定、轉子組復合而成，可以視為一個(gè)圓筒形的外轉子式永磁電機與兩個(gè)圓盤(pán)形的軸向磁通永磁電機合成的結構。但三者之間不是完全獨立的，它們是相互影響、相互作用的統一體。要使直驅復式三維永磁電機能轉動(dòng)并輸出轉矩，必須使三個(gè)定轉子組形成的三個(gè)電磁系統協(xié)調一致。根據直接驅動(dòng)抽油機的結構條件, 復合式三維永磁電機必須滿(mǎn)足低速大力矩的驅動(dòng)要求。在復合式三維永磁電機的研發(fā)中，我們解決了以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題即：


①雙盤(pán)面電機與外轉子電機的結構設計問(wèn)題
②復合永磁同步電機的起動(dòng)、正、反轉的穩定運行問(wèn)題
③復合式三維永磁電機的全新計算方法和設計程序 該電機的創(chuàng )新在于：


研發(fā)了全新的復式電機結構形式，使電機的功率密度達到最大化 全新的電磁場(chǎng)分布形式，使電機的機電能量變換達到最佳化


直驅式直線(xiàn)電機（DDL1、DDL2）的基本原理與結構


直驅式直線(xiàn)電機DDL1主要是為懸掛輸送系統開(kāi)發(fā)的，這種電機在系統中必須滿(mǎn)足以下條件：


1）扁平型結構，限定體積
2）單向運行，頻繁起動(dòng)，運行時(shí)間秒級；
3）起動(dòng)電流要小于同容量電機，沖擊小、響應快；
4）結構簡(jiǎn)單成本低、重量輕；


單相直線(xiàn)感應電機具有多種不同結構，適用于不同場(chǎng)合。若要滿(mǎn)足以上條件，需要采用結構最簡(jiǎn)單的2 極電容運行電機，其主副相線(xiàn)圈都只有一個(gè)，由于系統運行速度不快，因此電機極距較小，限制了槽寬的大小，為了放置線(xiàn)圈初級鐵芯需大大增加槽高，槽高/槽寬比普通電機大,稱(chēng)之為深槽結構。通過(guò)特深槽結構亦可提高啟動(dòng)力矩。本項目電機主要解決了以下幾個(gè)問(wèn)題：


1）采用深槽式結構與分層繞組加大啟動(dòng)力矩
2）運用場(chǎng)路結合方法完成電機設計與全面優(yōu)化，達到單位體積推力最大化。
3）電機整體塑封，整體性強，絕緣性好。 直驅式直線(xiàn)電機（DDL1結構見(jiàn)圖2




直驅式直線(xiàn)電機DDL2主要是為食品切片機與電梯門(mén)機開(kāi)發(fā)的，這些系統的直驅式直線(xiàn)電機要具備調速范圍寬、推力密度大、推力穩定響應快等特點(diǎn)，而現有直線(xiàn)電機往往會(huì )遇到體積過(guò)大、推力不足、推力波動(dòng)大、響應慢、溫升過(guò)高等問(wèn)題，這些問(wèn)題對直驅式直線(xiàn)電機的設計提出了更高的要求。本直驅式直線(xiàn)電機DDL2由基本的動(dòng)子（初級）和定子（次級）兩部分結構組成。定子部分主要由永磁體、導磁體和不銹鋼套管構成，永磁體采用軸向充磁方式。動(dòng)子部分由三相電樞繞組、繞組骨架以及機殼構成。繞組采用空心餅式線(xiàn)圈形式，它直接繞制在骨架槽內，槽滿(mǎn)率高，無(wú)端部，銅材利用率高，銅耗小，電機節能效果更好。圓筒型永磁直線(xiàn)同步電機拓撲結構如圖3所示。




該電機通過(guò)無(wú)槽空心式線(xiàn)圈結構、永磁體的合理排列以及整體優(yōu)化設計使該電機具有以下特點(diǎn)：


1) 結構簡(jiǎn)單，制造方便，可靠性高，易維護，節省材料，成本低。
2) 電機速度可調，調速范圍寬，可控性好。
3) 輸出推力平穩，推力與交軸電流成正比，線(xiàn)性度高，可控性好。
4) 動(dòng)子慣量小，動(dòng)態(tài)響應快。
5) 不產(chǎn)生徑向推力，運行摩擦力小，系統效率高。
6) 電機外殼集成散熱片，在正常運行環(huán)境與運行狀態(tài)下，可以實(shí)現自然冷卻。
7) 集成位置檢測器，用戶(hù)使用更加方便，成本大大降低。

2．實(shí)施與應用效果


DDR1的實(shí)施與應用效果


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




為從根本上解決抽油機系統效率低下的問(wèn)題，需開(kāi)發(fā)一種新型高效節能電機，使電機可以在低速情況下輸出大扭矩直接驅動(dòng)抽油泵進(jìn)行工作，從而實(shí)現電動(dòng)機對抽油泵的直接驅動(dòng)模式（直驅式抽油機系統）。如果采用了直接驅動(dòng)結構方式，可取消傳統抽油機的多級中間傳動(dòng)機構，不僅可省去龐大的游梁、驢頭和復雜齒輪減速箱，使得結構大為簡(jiǎn)化，體積大大減小，特別是整機效率可大大提高。達到有效節能的目的。


直驅式抽油機系統的主要核心是低速大力矩電機的研制開(kāi)發(fā)。目前國內外低速大力矩電機均采用永磁同步電機結構。永磁電機與傳統的電勵磁同步電機相比，省去了電勵磁繞組，實(shí)現了無(wú)刷化，具有結構簡(jiǎn)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(mǎn)足了部分使用場(chǎng)合的要求，在大多數使用場(chǎng)合下，電機速度仍需通過(guò)減速箱降到所需速度輸出，電機有效面積不能充分利用，滿(mǎn)足不了用戶(hù)低速大力矩的要求。直驅復合式三維永磁電機完全改變了現有傳統電機的結構，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動(dòng)要求，可以在低速情況下直接驅動(dòng)負載。滿(mǎn)足了用戶(hù)低速大力矩的要求。


整機效率大大提高直驅復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用，并通過(guò)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(jià)中心、中國石油天然氣集團公司油田節能監測中心、國家油氣田井口設備質(zhì)量監督檢驗中心等通過(guò)對油田油井上使用的原游梁式抽油機和新型復式三維永磁電機抽油機的對比檢測，有功節電均達50%以上，無(wú)功節電可高達90%以上。 直驅復式三維永磁電機驅動(dòng)的抽油機除節電顯著(zhù)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。用電設備容量減少50%以上，噪音減少30分貝。表1為中原油田復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(jìn)一步應用于現有抽油機的改造以及展開(kāi)應用于化工、醫藥、食品以及機械等行業(yè)。其效益將會(huì )更大。


DDL的實(shí)施與應用效果


1）（DDL1）的實(shí)施與應用效果


郵政輸送用郵政推掛系統，通常采用旋轉電機加鏈輪、皮帶等中間轉換機構來(lái)實(shí)現，系統結構復雜，噪音大，效率低。整個(gè)推掛線(xiàn)由一個(gè)功率較大的電機拖動(dòng)，動(dòng)力集中，運行時(shí)不管負載多少整個(gè)物流線(xiàn)都一起拖動(dòng)，因此在輕載時(shí)系統效率很低。在組線(xiàn)靈活性方面如增加或減少輸送線(xiàn)的長(cháng)度也存在欠缺，其運行效率已遠不能滿(mǎn)足現代輸送要求，噪音也大大超標。要解決這個(gè)問(wèn)題，必須去掉鏈輪、皮帶等中間傳動(dòng)環(huán)節，提高系統效率節約能量，最好的辦法就是采用直線(xiàn)直驅技術(shù)。


采用大量的小功率直線(xiàn)電機來(lái)驅動(dòng)負載，采用分段通電，動(dòng)力分散安排，實(shí)現負載到哪電通到哪的方法。從而達到高效節能的目的。廣州郵件處理中心花巨資從瑞士GILGEN 公司購買(mǎi)了直驅式郵政懸掛輸送系統（如圖5所示）該系統主要部件是直驅直線(xiàn)電機單元，一個(gè)基本單元是一個(gè)直線(xiàn)電機加一個(gè)智能控制卡構成，結構統一，維修簡(jiǎn)單。沿線(xiàn)1897 個(gè)單元將懸掛于路軌上的小車(chē)向前推進(jìn)，使小車(chē)攜帶包裹到達其目的地。在該項技術(shù)中，直驅直線(xiàn)電機是整個(gè)懸掛輸送系統的關(guān)鍵部分，其數目眾多，性能與成本是懸掛輸送系統開(kāi)發(fā)的重要影響因素。




目前從國外引進(jìn)的這種懸掛輸送系統，價(jià)格昂貴，我國不可能大量地引進(jìn)此種設備，自主研究開(kāi)發(fā)這種懸掛輸送系統非常必要，因此首先需要攻克懸掛輸送系統的關(guān)鍵部分-直驅直線(xiàn)電機，為我國自主研發(fā)懸掛輸送系統提供重要的基礎，也可以大大降低現有國外引進(jìn)懸掛輸送系統的維修成本。


本項目所開(kāi)發(fā)的電機的性能已達到、部分指標超過(guò)了國外同類(lèi)產(chǎn)品。如表2




隨著(zhù)國內郵政輸送要求的提高，直線(xiàn)電機直驅的郵政懸掛輸送系統將有很好的應用前景。如果國內自主開(kāi)發(fā)直驅式郵政懸掛輸送系統，將大大降低系統成本，提高產(chǎn)品的競爭力。每條輸送系統需要幾千個(gè)這樣的電機，其價(jià)格與性能對輸送系統的性能至關(guān)重要，因此可以說(shuō)輸送系統研究的關(guān)鍵技術(shù)之一就是深槽單相直線(xiàn)感應電機的研制。 本電機主要針對郵政輸送系統開(kāi)發(fā)，但該輸送系統可以推廣至機械、食品、醫藥、民用等行業(yè)，具有廣闊的應用前景。若以一年生產(chǎn)20 條輸送系統，即使價(jià)格僅為國外的一半其產(chǎn)值也可達2億元以上，且其節電按每天8小時(shí)80KW.h，則年生產(chǎn)20 條輸送系統的節電可達50萬(wàn)KW.h。


2）（DDL2）的實(shí)施與應用效果


傳統的食品切片機和電梯門(mén)機設備，其驅動(dòng)電機均采用旋轉電機，通過(guò)變速箱、皮帶輪組、連桿等轉換機構，將電機的旋轉運動(dòng)轉換為負載的直線(xiàn)運動(dòng)。傳統結構的食品切片機和電梯門(mén)機具有結構復雜、造價(jià)高、故障率高、維護成本高、系統效率低、響應慢、噪音大、有油污等缺點(diǎn)。為克服原有設備的缺點(diǎn)，我們采用圓筒型永磁直線(xiàn)同步電機作為驅動(dòng)電機，取消了轉換機構，電機與負載之間剛性連接，這種直驅式食品切片機和電梯門(mén)機整體結構大大簡(jiǎn)化，性能顯著(zhù)提高。圖5為直線(xiàn)電機作為直驅的電梯門(mén)機。


目前國內自行設計制造的食品切片機與電梯門(mén)機所用直驅式圓筒型永磁直線(xiàn)電機的產(chǎn)品幾乎沒(méi)有，國外生產(chǎn)同類(lèi)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(jìn)行了比較。




通過(guò)比較，國產(chǎn)電機的推力常數和反電勢常數都要高于Copley 公司的產(chǎn)品。相應地，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(guò)其額定電流，導致溫升過(guò)高，只能持續運行2 小時(shí)，而浙大電機電流較小，仍然可以無(wú)限制持續運行。


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