直驱式高效节能电机的研发与应用-web

费掉。我国电动机的节电远比建新电厂、寻找新能源更迫切，更重要。 本文主要介绍直驱式高效节能电机及其应用技术，所谓直驱就是将新型旋转电机或直线电机直接耦合
或连接到从动负载上实现驱动。由于取消了传统系统中的许多中间环节，如皮带或链条或钢丝绳和齿轮箱 等部件，结构大大简化，从而使整个系统具有高效低耗、高速高精度、高可靠免维护、高刚度快响应、无 需润滑、运行安静等优点。直驱技术被国外工业界称之为现代驱动技术中的先进方法和技术，被越来越多 地应用到各行业中。作为直驱技术最主要和关键的部分即为直驱式旋转电机（DDR）和直驱式直线电机 （DDL），它不是简单的将旋转电机或直线电机搬到系统中去，而是要将这两种电机根据不同的系统和工况 进行系统的创新设计。本文技术正是完成了创新设计的（DDR）和（DDL），实现了直驱。取得了明显的高 效节能效果。本文就该技术所完成的一系列成果中的 1 例 DDR（DDR1）和 2 例 DDL（DDL1、DDL2）作 一介绍。
表1 复式永磁电机抽油机与游梁式抽油机的耗电量对比
对比内容
吨液百米提升有功耗电量 kW·h/(102m·t) 吨液百米提升无功耗电量 kVar·h/(102m·t)
有功节电率 (pY - pZ)/pY
无功节电率 (qY - qZ)/qY
综合节电率
( p − p ) + 0.04 (q − q )
Y
3.2 DDL的实施与应用效果
n 1.（DDL1）的实施与应用效果 .c 邮政输送用邮政推挂系统，通常采用旋转电机加链轮、皮带等中间转换机构来实现，系统结构复杂，
lc 噪音大，效率低。整个推挂线由一个功率较大的电机拖动，动力集中，运行时不管负载多少整个物流线都 ae 网 一起拖动，因此在轻载时系统效率很低。在组线灵活性方面如增加或减少输送线的长度也存在欠缺，其运 n 行效率已远不能满足现代输送要求，噪音也大大超标。要解决这个问题，必须去掉链轮、皮带等中间传动 hi 工 环节，提高系统效率节约能量，最好的办法就是采用直线直驱技术。采用大量的小功率直线电机来驱动负 c 电 载，采用分段通电，动力分散安排，实现负载到哪电通到哪的方法。从而达到高效节能的目的。广州邮件 w. 能 处理中心花巨资从瑞士GILGEN 公司购买了直驱式邮政悬挂输送系统（如图5所示）该系统主要部件是直驱 ww 智 直线电机单元，一个基本单元是一个直线电机加一个智能控制卡构成，结构统一，维修简单。沿线1897 个 国 单元将悬挂于路轨上的小车向前推进，使小车携带包裹到达其目的地。在该项技术中，直驱直线电机是整 中 个悬挂输送系统的关键部分，其数目众多，性能与成本是悬挂输送系统开发的重要影响因素。
直驱式高效节能电机的研发与应用
叶云岳
（浙江大学 电气工程学院 ，浙江 杭州 310027）
摘要：本文主要介绍直驱式高效节能电机及其应用技术，本文技术将使电机系统效率提高 20％－60％，其中某电机系统 在同样产出的的条件下，综合节电达 61％，系统的体积和重量减少 50％以上。经济与社会效益可观。本文技术属自主创新 技术，它提升了传统产业与行业的技术含量，该技术所完成的一系列成果已授权专利 50 余项，并通过国内外查新和省级鉴 定，总体技术水平和主要技术经济指标达到了国际领先水平。本文就直驱式高效节能电机的研发背景、意义，它的基本原理、 结构形式以及在系统应用中所产生的明显经济效益作一简介。 关键词：直驱 高效节能 永磁电机 直线电机
动要求。在复合式三维永磁电机的研发中，我们解决了以下几个关键技术问题即： ①双盘面电机与外转子电机的结构设计问题 ②复合永磁同步电机的起动、正、反转的稳定运行问题 ③复合式三维永磁电机的全新计算方法和设计程序 该电机的创新在于： 研发了全新的复式电机结构形式，使电机的功率密度达到最大化 全新的电磁场分布形式，使电机的机电能量变换达到最佳化
n 如图1所示。 chinae电lc工.c网 图1
w. 能 从图1可见，直驱复式三维永磁电机由三组相对独立的定、转子组复合而成，可以视为一个圆筒形的 ww 智 外转子式永磁电机与两个圆盘形的轴向磁通永磁电机合成的结构。但三者之间不是完全独立的，它们是相 国 互影响、相互作用的统一体。要使直驱复式三维永磁电机能转动并输出转矩，必须使三个定转子组形成的 中 三个电磁系统协调一致。根据直接驱动抽油机的结构条件, 复合式三维永磁电机必须满足低速大力矩的驱
3． 实施与应用效果 3.1 DDR1的实施与应用效果
目前油田中所使用的抽油机绝大部分是传统的游梁式抽油机（俗称“磕头机”， 图4）。这种抽油机 由普通旋转电机（异步电动机或同步电动机）驱动，经多级减速箱并经连杆和游梁作每分钟6－10次的往复 运动。由于传统的游梁式抽油机机械结构复杂，电机驱动需经多级减速箱和连杆机构输出，使得抽油机的 效率很低，一般系统整体效率只有30%－40%左右。传统的游梁式抽油机，能耗大、难维修，已经不能很好 适应油井需要。全国油田，传统抽油机一年的耗电费用就是几百亿KW.h。因此研制开发高效节能的新型油 田抽油机对于节能降耗具有非常重要的意义。
2．基本原理与结构
2.1 直驱式旋转电机（DDR1）的基本原理与结构 直驱式旋转电机（DDR1）的基本原理与结构是采用永磁的方式，并设计了专门的盘面电机，同时
充分利用了外转子式结构两端面的空间，将两个盘面电机的定子与外转子式结构的定子固定在一起，两个 盘面电机的转子盘与外转子式结构的转子筒构成一个三维封闭的外转子。在同样的空间体积下，这种复式 结构较单个外转子式结构和单个盘形结构的电机能产生更大的电磁转矩。复式永磁同步电动机的整体结构
ZHale Waihona Puke YZp + 0.04q
Y
Y
复式永磁电机抽油机 0.544 (以pZ 表示) 0.508 (以qZ 表示) 53.9% 92.5%
61.1%
传统游梁式抽油机 1.180 (以pY 表示) 6.774 (以qY 表示)
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该电机如进一步应用于现有抽油机的改造以及展开应用于化工、医药、食品以及机械等行业。其效益 将会更大。
文中的例2（DDL1）为邮政输送线用直驱直线电机、用该电机后的邮政推挂设备它取消了链轮链条传 动方式，使原需80KW以上电机驱动变成仅需1－3KW即可。结构简化，用电减少，效率提高。特别是替代了 国外进口电机，与国外电机相比，在同样的体积和重量下，推力提高20％，输入功率减少10％，其价格仅 为国外的1/2-1/3。（DDL2）是食品机械、电梯门机用直驱直线电机。用该电机后的设备它取消了原有的变 速箱、皮带轮、连杆等转换机构。节能达20％以上。
cn 图4 lc. 为从根本上解决抽油机系统效率低下的问题，需开发一种新型高效节能电机，使电机可以在低速情况 ae 网 下输出大扭矩直接驱动抽油泵进行工作，从而实现电动机对抽油泵的直接驱动模式（直驱式抽油机系统）。 in 工 如果采用了直接驱动结构方式，可取消传统抽油机的多级中间传动机构，不仅可省去庞大的游梁、驴头和 ch 电 复杂齿轮减速箱，使得结构大为简化，体积大大减小，特别是整机效率可大大提高。达到有效节能的目的。 . 直驱式抽油机系统的主要核心是低速大力矩电机的研制开发。目前国内外低速大力矩电机均采用永磁 ww 能 同步电机结构。永磁电机与传统的电励磁同步电机相比，省去了电励磁绕组，实现了无刷化，具有结构简 w 智 单、运行可靠；体积小、重量轻；损耗少、效率高。但目前一些低速大力矩电机仅满足了部分使用场合的 国 要求，在大多数使用场合下，电机速度仍需通过减速箱降到所需速度输出，电机有效面积不能充分利用， 中 满足不了用户低速大力矩的要求。直驱复合式三维永磁电机完全改变了现有传统电机的结构，充分利用了
图3. 该电机通过无槽空心式线圈结构、永磁体的合理排列以及整体优化设计使该电机具有以下特点： 1) 结构简单，制造方便，可靠性高，易维护，节省材料，成本低。 2) 电机速度可调，调速范围宽，可控性好。 3) 输出推力平稳，推力与交轴电流成正比，线性度高，可控性好。 4) 动子惯量小，动态响应快。 5) 不产生径向推力，运行摩擦力小，系统效率高。 6) 电机外壳集成散热片，在正常运行环境与运行状态下，可以实现自然冷却。 7) 集成位置检测器，用户使用更加方便，成本大大降低。
电机的三维空间，具有高功率密度的输出特性，更符合电机机电能量变换的要求和低速大力矩驱动要求， 可以在低速情况下直接驱动负载。满足了用户低速大力矩的要求。整机效率大大提高
直驱复式三维永磁电机抽油机已在中原油田、大港油田、大庆油田、华北油田等几十口井上得到了应 用，并通过了投产试验，抽油机性能测试由中原油田分公司技术检测中心、大港油田集团检测评价中心、 中国石油天然气集团公司油田节能监测中心、国家油气田井口设备质量监督检验中心等通过对油田油井上 使用的原游梁式抽油机和新型复式三维永磁电机抽油机的对比检测，有功节电均达50%以上，无功节电可高 达90%以上。 直驱复式三维永磁电机驱动的抽油机除节电显著以外，还使抽油机重量和占地面积减少50% 以上，产量提高50%以上。用电设备容量减少50%以上，噪音减少30分贝。表1为中原油田复式永磁电机抽油 机与游梁式抽油机在H2-40井上的耗电量对比。
2.2 直驱式直线电机（DDL1、DDL2）的基本原理与结构 直驱式直线电机DDL1主要是为悬挂输送系统开发的，这种电机在系统中必须满足以下条件： 1）扁平型结构，限定体积 2）单向运行，频繁起动，运行时间秒级； 3）起动电流要小于同容量电机，冲击小、响应快；
4）结构简单成本低、重量轻； 单相直线感应电机具有多种不同结构，适用于不同场合。若要满足以上条件，需要采用结构最简单的 2 极电容运行电机，其主副相线圈都只有一个，由于系统运行速度不快，因此电机极距较小，限制了槽宽 的大小，为了放置线圈初级铁芯需大大增加槽高，槽高/槽宽比普通电机大,称之为深槽结构。通过特深槽 结构亦可提高启动力矩。本项目电机主要解决了以下几个问题： 1）采用深槽式结构与分层绕组加大启动力矩 2）运用场路结合方法完成电机设计与全面优化，达到单位体积推力最大化。 3）电机整体塑封，整体性强，绝缘性好。 直驱式直线电机（DDL1结构见图2