100kNm级高转矩密度自然冷却直驱电机技术理论研究

蹇林旎; 龚宇; 尉进; 石玉君; 郑言冲; 邓正兴; 寇冠英

2016

直驱电机 自然冷却 高转矩密度 双向磁场调制

课题来源与背景：1）课题来源：自选项目 2）背景：直驱技术由于取消中间复杂的传动装置，如皮带、机械齿轮箱，具有高效率、低维护、结构灵活等优点，因而被业界称为现代先进驱动技术。然而，直驱技术的一个核心难点在于如何提高其执行载体即直驱电机的转矩密度，以便适应具体应用场合中对系统空间、重量等方面的限制和要求。技术原理及性能指标：1）技术原理： 项目组成员进一步挖掘同轴磁性齿轮调制效应，创造性地提出了双向磁场调制技术，形成一种新型电机电磁拓扑结构。通过在电机定、转子上同时安装具有高磁能积的钕铁硼永磁体，并设计表面嵌入式磁极，形成磁场调制齿。如此一来，定子永磁磁场能够被转子齿调制，同时转子永磁磁场也能被定子齿调制。通过巧妙设计定、转子槽极配，两者调制出来的磁场谐波均能与电枢磁场相互作用，从而使电机具备稳定的电磁能量转换功能。这种基于双向磁场调制效应的新型电机被称为"定转子双永磁激磁电机"，其显著特征是定、转子上都装配有永磁磁极，并依靠多次磁场谐波共同参与电磁能量转换，大大提高了电机的有效磁负荷。实验表明，采用该技术能够大幅度提升直驱电机的转矩密度。 2）性能指标： 任务书主要性能指标：试制一台直驱电机，要求在自然冷却状态下，即电枢电流密度小于4 A/mm<'2>时，电机能够提供超过100kNm的电磁转矩，转矩密度达到90kNm/m<'3>以上。 实际达到的性能指标：经实测，试验样机在自然冷却状态下，电枢电流密度为1.98A/mm<'2>时，电机能够提供的电磁转矩达到106kNm，转矩密度为98.5 kNm/m<'3>。成果的创造性与先进性：1）拓展了传统电机理论，为直驱电机设计提供了全新的思路： 新型直驱电机采用全新的电磁能量转换机理，利用多次磁场谐波共同产生电磁转矩，复用有限的气隙工作面，在不增加空间尺寸的前提下增加有效磁负荷，从而提高了电机输出电磁转矩的能力。从工作原理上看，该新型直驱电机突破了基于基波磁场的传统电机理论，为今后直驱电机的设计开发提供了全新的思路。 2）采用新型电磁拓扑结构，并保持低复杂度机械结构： 新型直驱电机在定、转子上均布置了永磁体，并设计表面嵌入式磁极，形成磁场调制齿。这是一种新型电磁拓扑结构。难能可贵的是，该电机依然只有一个定子和一个转子，同时采用了最常见的径向磁路，其机械结构复杂度与常规永磁电机相当，远低于横向磁通永磁电机。 3）在自然冷却下便能提供非常高的转矩密度： 新型直驱电机在自然冷却情况下，即电流密度为1.98 A/mm<'2>时，便能够输出超过100 kNm的电磁转矩，转矩密度高达98.5 kNm/m<'3>。技术的成熟度、实用范围和安全性： 1）技术成熟度：该项目提出的“双向磁场调制”技术理论推导完备，基于此理论能够生产出100 kNm级自然冷却直驱电机。 2）实用范围：该项目所属学科领域为电气工程二级学科--电机与电器；所属高新技术领域为新型高效电磁能量转换技术；应用领域为直驱低速大转矩场合，诸如风力发电、船舶推进及油田抽油机系统等。 3）安全性：该项目所试制样机从结构上来讲与传统电机结构一样，即一个定子，一个转子，因此，其安全性与传统电机一样。应用情况及存在的问题： 该项目所研制的100kNm级直驱电机，其额定转速仅为8rpm，主要针对油田抽油机系统。如推广应用到风力发电系统或船舶全电推进系统，则应着力提高工作转速至100 rpm左右，同时提升功率至兆瓦级以上。解决办法为大幅提升电机电压等级至数千伏等级，但由此也将带来的绝缘防护方面的挑战。此外，电机输出转矩达到100kNm级时，电机功率因数较低，所以如何提升电机功率因数也是后期工作要考虑的问题。

南方科技大学

蹇林旎,龚宇,尉进,等. 100kNm级高转矩密度自然冷却直驱电机技术理论研究. 2016.