1．概述


所謂直驅(qū)就是將新型旋轉(zhuǎn)電機(jī)或直線電機(jī)直接耦合或連接到從動(dòng)負(fù)載上實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。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(jiǎn)化，從而使整個(gè)系統(tǒng)具有高效低耗、高速高精度、高可靠免維護(hù)、高剛度快響應(yīng)、無(wú)需潤(rùn)滑、運(yùn)行安靜等優(yōu)點(diǎn)。


直驅(qū)技術(shù)被國(guó)外工業(yè)界稱之為現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)技術(shù)中的先進(jìn)方法和技術(shù)，被越來(lái)越多地應(yīng)用到各行業(yè)中。作為直驅(qū)技術(shù)最主要和關(guān)鍵的部分即為直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)電機(jī)（DDR）和直驅(qū)式直線電機(jī)（DDL），它不是簡(jiǎn)單的將旋轉(zhuǎn)電機(jī)或直線電機(jī)搬到系統(tǒng)中去，而是要將這兩種電機(jī)根據(jù)不同的系統(tǒng)和工況進(jìn)行系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。


本文技術(shù)正是完成了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的（DDR）和（DDL），實(shí)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(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(qū)式旋轉(zhuǎn)電機(jī)（DDR1）的基本原理與結(jié)構(gòu)


直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)電機(jī)（DDR1）的基本原理與結(jié)構(gòu)是采用永磁的方式，并設(shè)計(jì)了專門的盤面電機(jī)，同時(shí) 充分利用了外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)兩端面的空間，將兩個(gè)盤面電機(jī)的定子與外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)的定子固定在一起，兩個(gè)盤面電機(jī)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(gè)三維封閉的外轉(zhuǎn)子。在同樣的空間體積下，這種復(fù)式結(jié)構(gòu)較單個(gè)外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)和單個(gè)盤形結(jié)構(gòu)的電機(jī)能產(chǎn)生更大的電磁轉(zhuǎn)矩。




從圖1可見(jiàn)，直驅(qū)復(fù)式三維永磁電機(jī)由三組相對(duì)獨(dú)立的定、轉(zhuǎn)子組復(fù)合而成，可以視為一個(gè)圓筒形的外轉(zhuǎn)子式永磁電機(jī)與兩個(gè)圓盤形的軸向磁通永磁電機(jī)合成的結(jié)構(gòu)。但三者之間不是完全獨(dú)立的，它們是相互影響、相互作用的統(tǒng)一體。要使直驅(qū)復(fù)式三維永磁電機(jī)能轉(zhuǎn)動(dòng)并輸出轉(zhuǎn)矩，必須使三個(gè)定轉(zhuǎn)子組形成的三個(gè)電磁系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致。根據(jù)直接驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)條件, 復(fù)合式三維永磁電機(jī)必須滿足低速大力矩的驅(qū)動(dòng)要求。在復(fù)合式三維永磁電機(jī)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雙盤面電機(jī)與外轉(zhuǎn)子電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題
②復(fù)合永磁同步電機(jī)的起動(dòng)、正、反轉(zhuǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題
③復(fù)合式三維永磁電機(jī)的全新計(jì)算方法和設(shè)計(jì)程序 該電機(jī)的創(chuàng)新在于：


研發(fā)了全新的復(fù)式電機(jī)結(jié)構(gòu)形式，使電機(jī)的功率密度達(dá)到最大化 全新的電磁場(chǎng)分布形式，使電機(jī)的機(jī)電能量變換達(dá)到最佳化


直驅(qū)式直線電機(jī)（DDL1、DDL2）的基本原理與結(jié)構(gòu)


直驅(qū)式直線電機(jī)DDL1主要是為懸掛輸送系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，這種電機(jī)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(yùn)行，頻繁起動(dòng)，運(yùn)行時(shí)間秒級(jí)；
3）起動(dòng)電流要小于同容量電機(jī)，沖擊小、響應(yīng)快；
4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低、重量輕；


單相直線感應(yīng)電機(jī)具有多種不同結(jié)構(gòu)，適用于不同場(chǎng)合。若要滿足以上條件，需要采用結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的2 極電容運(yùn)行電機(jī)，其主副相線圈都只有一個(gè)，由于系統(tǒng)運(yùn)行速度不快，因此電機(jī)極距較小，限制了槽寬的大小，為了放置線圈初級(jí)鐵芯需大大增加槽高，槽高/槽寬比普通電機(jī)大,稱之為深槽結(jié)構(gòu)。通過(guò)特深槽結(jié)構(gòu)亦可提高啟動(dòng)力矩。本項(xiàng)目電機(jī)主要解決了以下幾個(gè)問(wèn)題：


1）采用深槽式結(jié)構(gòu)與分層繞組加大啟動(dòng)力矩
2）運(yùn)用場(chǎng)路結(jié)合方法完成電機(jī)設(shè)計(jì)與全面優(yōu)化，達(dá)到單位體積推力最大化。
3）電機(jī)整體塑封，整體性強(qiáng)，絕緣性好。 直驅(qū)式直線電機(jī)（DDL1結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2




直驅(qū)式直線電機(jī)DDL2主要是為食品切片機(jī)與電梯門機(jī)開(kāi)發(fā)的，這些系統(tǒng)的直驅(qū)式直線電機(jī)要具備調(diào)速范圍寬、推力密度大、推力穩(wěn)定響應(yīng)快等特點(diǎn)，而現(xiàn)有直線電機(jī)往往會(huì)遇到體積過(guò)大、推力不足、推力波動(dòng)大、響應(yīng)慢、溫升過(guò)高等問(wèn)題，這些問(wèn)題對(duì)直驅(qū)式直線電機(jī)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本直驅(qū)式直線電機(jī)DDL2由基本的動(dòng)子（初級(jí)）和定子（次級(jí)）兩部分結(jié)構(gòu)組成。定子部分主要由永磁體、導(dǎo)磁體和不銹鋼套管構(gòu)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(jī)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(wú)端部，銅材利用率高，銅耗小，電機(jī)節(jié)能效果更好。圓筒型永磁直線同步電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。




該電機(jī)通過(guò)無(wú)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(shè)計(jì)使該電機(jī)具有以下特點(diǎn)：


1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，可靠性高，易維護(hù)，節(jié)省材料，成本低。
2) 電機(jī)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(dòng)子慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。
5) 不產(chǎn)生徑向推力，運(yùn)行摩擦力小，系統(tǒng)效率高。
6) 電機(jī)外殼集成散熱片，在正常運(yùn)行環(huán)境與運(yùn)行狀態(tài)下，可以實(shí)現(xiàn)自然冷卻。
7) 集成位置檢測(cè)器，用戶使用更加方便，成本大大降低。

2．實(shí)施與應(yīng)用效果


DDR1的實(shí)施與應(yīng)用效果


目前油田中所使用的抽油機(jī)絕大部分是傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)（俗稱“磕頭機(jī)”， 圖4）。這種抽油機(jī)由普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)（異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)）驅(qū)動(dòng)，經(jīng)多級(jí)減速箱并經(jīng)連桿和游梁作每分鐘6－10次的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電機(jī)驅(qū)動(dòng)需經(jīng)多級(jí)減速箱和連桿機(jī)構(gòu)輸出，使得抽油機(jī)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(jī)，能耗大、難維修，已經(jīng)不能很好適應(yīng)油井需要。全國(guó)油田，傳統(tǒng)抽油機(jī)一年的耗電費(fèi)用就是幾百億KW.h。因此研制開(kāi)發(fā)高效節(jié)能的新型油田抽油機(jī)對(duì)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(jī)系統(tǒng)效率低下的問(wèn)題，需開(kāi)發(fā)一種新型高效節(jié)能電機(jī)，使電機(jī)可以在低速情況下輸出大扭矩直接驅(qū)動(dòng)抽油泵進(jìn)行工作，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)對(duì)抽油泵的直接驅(qū)動(dòng)模式（直驅(qū)式抽油機(jī)系統(tǒng)）。如果采用了直接驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方式，可取消傳統(tǒng)抽油機(jī)的多級(jí)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不僅可省去龐大的游梁、驢頭和復(fù)雜齒輪減速箱，使得結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，體積大大減小，特別是整機(jī)效率可大大提高。達(dá)到有效節(jié)能的目的。


直驅(qū)式抽油機(jī)系統(tǒng)的主要核心是低速大力矩電機(jī)的研制開(kāi)發(fā)。目前國(guó)內(nèi)外低速大力矩電機(jī)均采用永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)。永磁電機(jī)與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī)相比，省去了電勵(lì)磁繞組，實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷化，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)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(jī)僅滿足了部分使用場(chǎng)合的要求，在大多數(shù)使用場(chǎng)合下，電機(jī)速度仍需通過(guò)減速箱降到所需速度輸出，電機(jī)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(fù)合式三維永磁電機(jī)完全改變了現(xiàn)有傳統(tǒng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，充分利用了電機(jī)的三維空間，具有高功率密度的輸出特性，更符合電機(jī)機(jī)電能量變換的要求和低速大力矩驅(qū)動(dòng)要求，可以在低速情況下直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。滿足了用戶低速大力矩的要求。


整機(jī)效率大大提高直驅(qū)復(fù)式三維永磁電機(jī)抽油機(jī)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(yīng)用，并通過(guò)了投產(chǎn)試驗(yàn)，抽油機(jī)性能測(cè)試由中原油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心、大港油田集團(tuán)檢測(cè)評(píng)價(jià)中心、中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油田節(jié)能監(jiān)測(cè)中心、國(guó)家油氣田井口設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心等通過(guò)對(duì)油田油井上使用的原游梁式抽油機(jī)和新型復(fù)式三維永磁電機(jī)抽油機(jī)的對(duì)比檢測(cè)，有功節(jié)電均達(dá)50%以上，無(wú)功節(jié)電可高達(dá)90%以上。 直驅(qū)復(fù)式三維永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的抽油機(jī)除節(jié)電顯著以外，還使抽油機(jī)重量和占地面積減少50%以上，產(chǎn)量提高50%以上。用電設(shè)備容量減少50%以上，噪音減少30分貝。表1為中原油田復(fù)式永磁電機(jī)抽油機(jī)與游梁式抽油機(jī)在H2-40井上的耗電量對(duì)比。




該電機(jī)如進(jìn)一步應(yīng)用于現(xiàn)有抽油機(jī)的改造以及展開(kāi)應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品以及機(jī)械等行業(yè)。其效益將會(huì)更大。


DDL的實(shí)施與應(yīng)用效果


1）（DDL1）的實(shí)施與應(yīng)用效果


郵政輸送用郵政推掛系統(tǒng)，通常采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)加鏈輪、皮帶等中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪音大，效率低。整個(gè)推掛線由一個(gè)功率較大的電機(jī)拖動(dòng)，動(dòng)力集中，運(yùn)行時(shí)不管負(fù)載多少整個(gè)物流線都一起拖動(dòng)，因此在輕載時(shí)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(zhǎng)度也存在欠缺，其運(yùn)行效率已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代輸送要求，噪音也大大超標(biāo)。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(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(shù)。


采用大量的小功率直線電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，采用分段通電，動(dòng)力分散安排，實(shí)現(xiàn)負(fù)載到哪電通到哪的方法。從而達(dá)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(gòu)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(jī)單元，一個(gè)基本單元是一個(gè)直線電機(jī)加一個(gè)智能控制卡構(gòu)成，結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，維修簡(jiǎn)單。沿線1897 個(gè)單元將懸掛于路軌上的小車向前推進(jìn)，使小車攜帶包裹到達(dá)其目的地。在該項(xiàng)技術(shù)中，直驅(qū)直線電機(jī)是整個(gè)懸掛輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其數(shù)目眾多，性能與成本是懸掛輸送系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重要影響因素。




目前從國(guó)外引進(jìn)的這種懸掛輸送系統(tǒng)，價(jià)格昂貴，我國(guó)不可能大量地引進(jìn)此種設(shè)備，自主研究開(kāi)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(guān)鍵部分-直驅(qū)直線電機(jī)，為我國(guó)自主研發(fā)懸掛輸送系統(tǒng)提供重要的基礎(chǔ)，也可以大大降低現(xiàn)有國(guó)外引進(jìn)懸掛輸送系統(tǒng)的維修成本。


本項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的電機(jī)的性能已達(dá)到、部分指標(biāo)超過(guò)了國(guó)外同類產(chǎn)品。如表2




隨著國(guó)內(nèi)郵政輸送要求的提高，直線電機(jī)直驅(qū)的郵政懸掛輸送系統(tǒng)將有很好的應(yīng)用前景。如果國(guó)內(nèi)自主開(kāi)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(jìng)爭(zhēng)力。每條輸送系統(tǒng)需要幾千個(gè)這樣的電機(jī)，其價(jià)格與性能對(duì)輸送系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，因此可以說(shuō)輸送系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一就是深槽單相直線感應(yīng)電機(jī)的研制。 本電機(jī)主要針對(duì)郵政輸送系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，但該輸送系統(tǒng)可以推廣至機(jī)械、食品、醫(yī)藥、民用等行業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。若以一年生產(chǎn)20 條輸送系統(tǒng)，即使價(jià)格僅為國(guó)外的一半其產(chǎn)值也可達(dá)2億元以上，且其節(jié)電按每天8小時(shí)80KW.h，則年生產(chǎn)20 條輸送系統(tǒng)的節(jié)電可達(dá)50萬(wàn)KW.h。


2）（DDL2）的實(shí)施與應(yīng)用效果


傳統(tǒng)的食品切片機(jī)和電梯門機(jī)設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)，通過(guò)變速箱、皮帶輪組、連桿等轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為負(fù)載的直線運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的食品切片機(jī)和電梯門機(jī)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、故障率高、維護(hù)成本高、系統(tǒng)效率低、響應(yīng)慢、噪音大、有油污等缺點(diǎn)。為克服原有設(shè)備的缺點(diǎn)，我們采用圓筒型永磁直線同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，取消了轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，電機(jī)與負(fù)載之間剛性連接，這種直驅(qū)式食品切片機(jī)和電梯門機(jī)整體結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，性能顯著提高。圖5為直線電機(jī)作為直驅(qū)的電梯門機(jī)。


目前國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)制造的食品切片機(jī)與電梯門機(jī)所用直驅(qū)式圓筒型永磁直線電機(jī)的產(chǎn)品幾乎沒(méi)有，國(guó)外生產(chǎn)同類產(chǎn)品的公司主要有Copley 公司。表3則對(duì)國(guó)產(chǎn)電機(jī)與Copley 電機(jī)的性能進(jìn)行了比較。




通過(guò)比較，國(guó)產(chǎn)電機(jī)的推力常數(shù)和反電勢(shì)常數(shù)都要高于Copley 公司的產(chǎn)品。相應(yīng)地，在相同工況下，國(guó)產(chǎn)電機(jī)的電流要小于Copley 電機(jī)，功率和效率也均高于Copley 電機(jī)。尤其是在工況3 下，Copley 電機(jī)的電流超過(guò)其額定電流，導(dǎo)致溫升過(guò)高，只能持續(xù)運(yùn)行2 小時(shí)，而浙大電機(jī)電流較小，仍然可以無(wú)限制持續(xù)運(yùn)行。


與國(guó)外電機(jī)相比，國(guó)產(chǎn)電機(jī)性能更好，且價(jià)格僅為國(guó)外產(chǎn)品的1/4 左右，無(wú)疑國(guó)產(chǎn)電機(jī)將具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。食品切片機(jī)已由美國(guó)ITW 公司于2008 年批量生產(chǎn)。