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、無需潤滑、運行安靜等優(yōu)點。


直驅(qū)技術被國外工業(yè)界稱之為現(xiàn)代驅(qū)動技術中的先進方法和技術，被越來越多地應用到各行業(yè)中。作為直驅(qū)技術最主要和關鍵的部分即為直驅(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)新設計。


本文技術正是完成了創(chuàng)新設計的（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。




從圖1可見，直驅(qū)復式三維永磁電機由三組相對獨立的定、轉(zhuǎn)子組復合而成，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。在復合式三維永磁電機的研發(fā)中，我們解決了以下幾個關鍵技術問題即：


①雙盤面電機與外轉(zhuǎn)子電機的結(jié)構(gòu)設計問題
②復合永磁同步電機的起動、正、反轉(zhuǎn)的穩(wěn)定運行問題
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(jié)構(gòu)形式，使電機的功率密度達到最大化 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：


1）扁平型結(jié)構(gòu)，限定體積
2）單向運行，頻繁起動，運行時間秒級；
3）起動電流要小于同容量電機，沖擊小、響應快；
4）結(jié)構(gòu)簡單成本低、重量輕；


單相直線感應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：


1）采用深槽式結(jié)構(gòu)與分層繞組加大啟動力矩
2）運用場路結(jié)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(qū)式直線電機（DDL1結(jié)構(gòu)見圖2




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、響應慢、溫升過高等問題，這些問題對直驅(qū)式直線電機的設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撲結(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)化設計使該電機具有以下特點：


1) 結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，可靠性高，易維護，節(jié)省材料，成本低。
2) 電機速度可調(diào)，調(diào)速范圍寬，可控性好。
3) 輸出推力平穩(wěn)，推力與交軸電流成正比，線性度高，可控性好。
4) 動子慣量小，動態(tài)響應快。
5) 不產(chǎn)生徑向推力，運行摩擦力小，系統(tǒng)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，可以實現(xiàn)自然冷卻。
7) 集成位置檢測器，用戶使用更加方便，成本大大降低。

2．實施與應用效果


DDR1的實施與應用效果


目前油田中所使用的抽油機絕大部分是傳統(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次的往復運動。由于傳統(tǒng)的游梁式抽油機機械結(jié)構(gòu)復雜，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，并通過了投產(chǎn)試驗，抽油機性能測試由中原油田分公司技術檢測中心、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式三維永磁電機抽油機的對比檢測，有功節(jié)電均達50%以上，無功節(jié)電可高達90%以上。 直驅(qū)復式三維永磁電機驅(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。




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


DDL的實施與應用效果


1）（DDL1）的實施與應用效果


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，其運行效率已遠不能滿足現(xiàn)代輸送要求，噪音也大大超標。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。


采用大量的小功率直線電機來驅(qū)動負載，采用分段通電，動力分散安排，實現(xiàn)負載到哪電通到哪的方法。從而達到高效節(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其目的地。在該項技術中，直驅(qū)直線電機是整個懸掛輸送系統(tǒng)的關鍵部分，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，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)的電機的性能已達到、部分指標超過了國外同類產(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)的性能至關重要，因此可以說輸送系統(tǒng)研究的關鍵技術之一就是深槽單相直線感應電機的研制。 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50萬KW.h。


2）（DDL2）的實施與應用效果


傳統(tǒng)的食品切片機和電梯門機設備，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)復雜、造價高、故障率高、維護成本高、系統(tǒng)效率低、響應慢、噪音大、有油污等缺點。為克服原有設備的缺點，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)。