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低速大转矩稀土永磁同步电动机 技术研究报告 大连钰霖电器有限公司 2007 年 3 月 低速大转矩永磁同步电动机技术研究报告 项目背景与研究目的 项目背景 世纪人类面临的三大难题是：能源危机，环境污染和人口爆炸。而工程技术界的主题无疑应该是能源危机和环境污染。 目前，在机械装备制造业，诸如： 机床、重矿机械、建筑机械、电力机械、石油机械等需要低速大转矩传动的系统， 仍主要采用减速机 -电机的传统驱动模式。 一方面， 由于减速机齿轮等机械的原因降低了系统的整体传动效率；另一方面，由于减速机的存在使驱动系统的整体体积较大，或者说系统的传输力能密度较低。近年来出现的机电一体化技术，虽然在力能密度方面有所提高，但由于其在理论思想方面仅限于机械 减速机构与电机配合的结构尺寸减小， 仍未跳出减速机 -电动机传动模式的桎梏，所以其效率和力能密度亦未能令人满意。 这种传动模式的主要弊端在于： 减速齿轮效率低，尤其是在需要大减速比的传动系统，效率更低；功率密度低，机械减速机的存在，使 机械装备体积庞大、设备笨重；环境污染，机械转速机不仅存在噪声污染，同时存在润滑油造成的环境污染；机械加工工艺环节共时多，加速机齿轮加工工艺复杂，工艺环节多，并且精确度要求严格，给机械装备的加工制造带来难度和增加了工艺成本。所以，使用低速大转矩传动，取消机械减速机，实现无齿轮传动是时代的要求，发展的需要。 本项目在国家自然科学基金和辽宁省自然科学基金资助下， 由沈阳工业大学和大连钰霖电器有限公司共同研制成功，并在 2005 年获得辽宁省科技进步二等奖。 研究目的 在低速大扭矩无齿轮传动系统中，采用稀土永磁电机取代传统的异步电动机是各 国专家的共识，其技术关键是如何消除电机在低频时的转矩脉振问题。 芬兰学者 J. Salo, T.等人报导了一种新型低速大扭矩内嵌式磁极结构的永磁同步电动机（ PMSM ），对不同转子磁极结构利用计算和仿真的方法进行了研究，尽管其理论结果可使电机的转 矩纹波减小至 5%，但其气隙磁密中仍含有严重的齿谐波。 显然在超低速情况下， 这些齿谐波的存在仍然会产生转矩脉振。 瑞典的 Nicola Bianchi 等人，采用移动转子磁极位置的方法消除 PMSM 的转矩纹波， 仅适用于 8 极以下，且要求电机的转子要具有足够磁极摆放空间。德国的 N. Bianchi 等人，利用供电电流波形调制来削弱 PMSM 转矩纹 [3] ，是一种依赖于电机外部控制的方法， 尽管部分地减小了 PMSM 的输出转矩纹波， 但由于电机内电势波形和气隙磁场谐波的存在， 使电机损耗加大， 影响了电机的效率。瑞士的 P. Lampola 等人，分析了多极低速 PMSM，但其样机仅局限于 12 极以内的情 况。 综观上述文献报导，其共同之处在于没有注意到PMSM 在现代正弦波脉宽调制 （SPWM）电源供电情况下， 如何从低速大转矩传动系统最佳的角度来研究 PMSM 的分析和设计问题，并且其分析和解决问题的出发点都是从针对电机的转矩，而忽视了 产生转矩脉振的根本原因，即电机内电势波形的设计和研究。 本项目研究低速大转矩稀土永磁同步电动机，与电力电子技术、高集成的机电一体化技术一同，组成的电子 -电气 -机械一体化驱动技术的理论和技术。从低速大转矩传动系统最优化的角度， 重点解决低速大转矩稀土永磁同步电动机的最优化设计问题；消除低频转矩脉动问题；转子嵌入式磁极结构的漏磁问题。并成功地在工厂大机械无齿轮传动系统中得到应用。 - 1 - [5] ： 低速大转矩永磁同步电动机技术研究报告 低速大转矩稀土永磁同步电机的研制原理 1 SPWM 电源供电下 PMSM 的数学模型 现代变频器几乎全部采用 SPWM 的电压输出波形，它是利用标准的正弦波与三角波经调制而成。理论分析和实验均表明， SPWM 输出电压波形中低次谐波之和为零，或者说 SPWM 的输出电压是一个标准的正弦波。 将三相 SPWM 的输出电压，采用功率不变约束的 dq0 坐标变换后供电给 PMSM 的电压、磁链和电磁转矩方程，在 dq0 轴坐标系中，写成空间矢量形式为 cos( e ) cos( e 2 2 ) ) cos( e 3 ud 3 uu uq 2 sin( e ) sin( e 2 ) sin( e 2 ) uv uo 3 3 3 1 1 1 uw 2 2 2 （1） us,spwmR1is dΨs j Ψ s dt （2） i s i d ji q （3） s d j q （4） Tem p si s （5） 式中 uu uv uw T 为 SPWM 电源的输出三相对称电压有效值（ V ）； ud u q uo T u T 为 SPWM 电源在 dqo 坐标下的分量，对于三相对称系统