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
1. 项目背景与研究目的
[1] 项目背景
21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。
[2] 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转矩纹波[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。
2. 低速大转矩稀土永磁同步电机的研制原理
2. 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[5]：
??
?
??
??????
???????
??????????+----+-=????
??????w v u e e e e
e e o q d u u u u u u 21
2121)32sin()32sin()sin(
)32cos()32cos()cos(32πθπθθπθπθθ
（1）
s,1s s u i Ψs
spwm d ΨR j dt
ω=+
+ψ
（2）
q
d ji i +=s i
（3）
q
d j ψ+ψ=ψs
（4）
s
s i ?ψ=p T em
（5）
式中 []T w v u u u u 为SPWM 电源的输出三相对称电压有效值（V ）；
[]s p w m s T T o q d u u u ,u =为SPWM 电源在dqo 坐标下的分量，
对于三相对称系统0=o u ； ?+=0θωθdt e 是以电弧度计的转子磁极轴线相对定子u 相轴线沿气隙圆周的夹
角，o θ为初始位置角，ω为定子电角频率；
1R 为电机定子绕组相电阻)(Ω；
s s i Ψ为
dqo 坐标下电流和磁链的空间矢量；
p 为电机极对数； em T 为PMSM 的电磁转矩。
PMSM 的空间矢量图，如图1所示。从图1中可以看出，定子电流空间矢量s i 与
定子磁链空间矢量s Ψ同相，而定子磁链与永磁体产生的气隙磁链f ψ间的空间电角度为
β，且
βcos s d i i = （6）
βsin s q i i = （7）
将（6）（7）式代入（5）可得
])([q d q d q f em i i L L i p T -+=ψ （8）
式中 d q L L ,分别为PMSM 的直轴和交轴同步电感。
θβ
?
e d
q
u 相绕组轴线
i q
i d
i s
ω
ψf
ψs
u phase axis
图1 PMSM 空间矢量图
由上式可以看出，PMSM 电磁转矩含有两个分量，第一项为永磁转矩，第2项磁阻转矩。对于PMSM ，一般d q L L >，因此，为充分利用磁阻转矩，在控制上要使直轴电流分量为负值，即o 90>β。
在采用功率不变约束的坐标变换后，dqo 轴系统中的各量（电压、电流、磁链）等于uvw 轴系统中各相应量的相有效值的m 倍，（m 为相数）。电磁转矩（8）的稳态表达式可为
])([q d q d q o em i i X X i e p
T -+=
ω
（9）
式中o e 为dqo 坐标下永磁体磁场在PMSM 电枢绕组中产生的内电势，q d X X ,分别为PMSM 的直轴和交轴同步电抗。
从（2）和（9）式可见，要消除PMSM 低频脉振转矩脉动，只要能使其内电势的波形为标准的正弦波，即可使电流的波形也为正弦波。当然，若做到了这一点，也就实现了消除低频转矩脉振的目的。 2.2 低速大扭矩PMSM 的设计研究
从电磁感应定律Blv e =可知，要使电机内电势波形正弦，其实就是如何使产生内电势的磁场波形正弦的问题。从电机的基本理论可知，影响磁场波形的因素除电机设计的共同问题外，对于PMSM 可主要可归纳为转子永磁体结构形式的选取；主磁极极弧系数的选择；电枢绕组的排布方式和定子齿谐波影响的消除等四个方面。
2.2.1转子永磁体结构形式的选取
PMSM的磁极形式是多种多样的，按永磁体激励的方向可分为径向结构和切向结构，按安装形式可以分为外贴式和内置式,其基本形式如图2所示。从SPWM电源与PMSM匹配运行所组成的低速大扭矩驱动系统最优化观点出发，为保证驱动系统有足够的线性调节范围，SPWM变频器额定输出频率应尽可能高（一般取25Hz以上）；为降低变频器的成本和损耗，要求变频器的额定输出电流要尽可能小。因此，电机在设计上要采用多极结构，以降低额定同步转速；在大扭矩情况下，减小电机的额定电流，则必须使每极具有足够强的激励磁场。永磁体提供磁场的强度是与其激励面积直接相关的，而对于图2（a）（b）所示的径向磁极结构，要在中小型电机中采用多极是不可能在有限的空间内获得足够激励面积的。因此，低速大扭矩PMSM采用切向磁极结构几乎是惟一的选择。
和。可以克服径向结构在多极时的每极激励面积不足的缺点，方便地根据需要通过调整永磁体槽深来选择激励面积的大小。但由此带来的问题是，如何通过合理的转子隔磁回路设计，减小永磁体的底部漏磁问题。图3是利用有限元分析，得出的不同转子隔磁回路结构时，由永磁体激励的磁场静态分布情况。图3是在永磁体尺寸相同，仅改变转子隔磁回路结构的情况下得到。尽管图3（a）具有对称的机械结构，转子冲片便于利用单冲的方式加工，但由于机械连接与强度的需要，磁极与极轭的连接部分，使永磁体产生的磁通近1/3从该部分漏掉，严重降低了永磁材料的利用率。图3（b）
是将永磁体底部的隔磁回路完全置于同一磁极下（如N 极），利用另一磁极（S 极）的同极相斥原理，达到提高永磁材料利用率的目的。从图3（b ）可见，永磁体底部漏磁几乎完全消除，仅剩的漏磁是由于定子采用分数槽引起的不对称所置。图3结果意味着，在永磁体尺寸相同的情况下，（b ）较（a ）的永磁材料利用率提高了1/3。 2.2.2 主磁极极弧系数的选择
在同步电机的设计中，极弧系数的选取对电机电枢绕组内电势波形以及电机出力大小有着重要的影响。在低速大扭矩驱动系统中，采用PMSM 的优点之一是可以通过选择适当的极弧系数来消除某次谐波对电枢绕组内电势波形的影响。根据电机理论，图2-a 所示矩形波磁密分布用Fourier 级数分解成空间各次谐波的数学表达式为
e k m
e k k
B B θπ
=
θ∑
∞
=sin 1
4)(1
（10） 式中 m B 气隙磁密的幅值（T ）; k 为奇数。
若通过适当地调整漏磁的大小和选择合适的极弧系数，使气隙磁密的波形呈图2-b 所示的准梯形波分布时，则用Fourier 级数分解成空间各次谐波的数学表达式变为
∑
∞
==
1
2
sin sin 4)(k e m
e k k k B B θαα
π
θ （11） 式中α是主磁极极弧短距角的一半（0≠α）。
比较式（10）和（11），式（11）是式（10）的ααk k /sin 倍，这意味着对于基波的削弱仅为αα/sin 倍，在6/πα≤时其值近似为1；而对各次谐波却减小为（10）式的1/k 倍。并且完全可以通过令πα=k 来消除某一特定的谐波。
θπ
2πB 0
e
B m (θ )e e
a. 气隙磁场为矩形波
a. Gap flux density rectangle
b. 气隙磁场为准梯形波
b. Gap flux density quasi trapezoid
图4气隙磁场为矩形波和准梯形波时沿气隙圆周的电弧度分布
从电机理论可知，能被3整除的奇次谐波可以通过三相对称绕组的联接消除，在电机的设计中一般最关心的是5次和7次谐波的消弱。因此，理想的选择是
7
~
5π
π
α=
（12）
2.2.3电枢绕组的排布方式
在一般的交流电机设计中，可以通过电机定子绕组的分布和短距来消除谐波。但在采用了多极的低速中小型电机中，已经不可能有足够的电枢绕组槽，来供分布使用。采用整距集中绕组显然对电枢绕组内电势波形正弦化不利。因此，采用分数槽绕组几乎是惟一的选择。根据电机设计基本理论[7]，分数槽绕组不但可以有效地消弱电枢绕组内电势中的高次谐波，而且对于
12±=mq X ν （13）
式中
X
ν 齿谐波电势的次数
m 电枢绕组的相数
q 电枢绕组每极每相槽数
次的齿谐波同样有消除作用。从提高绕组利用系数和消除主要次谐波的观点出发，分数槽绕组的实际线圈跨距应该采用（14）式取整短距的方法确定。 p
Q
y 21=
（14） 式中 Q 电枢绕组的槽数；
p 为电机极对数。
2.2.4 齿谐波影响的消除
在低速大扭矩驱动系统中，气隙齿谐波磁场对低频转矩脉动的影响显得尤为突出，必须彻底消除。
在异步电动机中，通常采用转子斜槽的方法来消除齿谐波的影响。在PMSM 中，可以通过采用分数槽电枢绕组来部分地消除齿谐波的影响。但要彻底消除齿谐波可能造成的低频转矩脉动和电磁噪声，仍有必要采用斜槽方式。由于PMSM 为了降低永磁体的造价，一般是规则的长方体，采用转子斜槽会给永磁体安装带来不必要的麻烦。因此，只有采用定子斜槽的工艺。理论分析表明，斜一个定子槽就可以消除齿谐波。但考虑到PMSM 的极弧系数一般较异步电动机的小，磁极的边缘效应也要比异步电动机的强，所以理想的斜槽数应该是
τα
β)1(p
+
= （15）
式中 β 定子槽两端沿气隙圆周扭转的弧长；
τ 定子槽沿气隙圆周的槽距弧长。 2.3 技术质量指标
稀土高效永磁电机功率等级和安装尺寸符合1EC 标准，其对应关系与国际上较有影响的德国西门子D1N42673标准一致，也与Y 系列电机一致，这样既有利于稀土永磁电机出口，也有利于稀土永磁电机在国内市场上逐步取代进口电机。
1、绝缘等级
稀土高效永磁电机采用F 级绝缘，温升按B 级考核，提高了永磁电机可靠性。
由于采用了F 级绝缘，在设计时有足够的温升裕度，有利于发电机在使用环境十分恶劣情况下保证正常运转，增加了发电机运转的可靠性。
2、防护等级
稀土高效永磁电机通过对结构的改进（适当增加端盖与转轴配合面的长度，在轴
承外盖与转轴的配合处增加橡皮密封圈等），使发电机的防护等级提高到1P55，提高了发电机的使用可靠性。
3、噪声和振动
稀土高效永磁电机通过在电磁和结构上的各种措施改进，如选择适当的槽配合和槽斜度，增加机座和端盖的刚度，提高端盖轴承室和转轴轴承档加工精度，改进风扇和风罩的结构等，使稀土高效永磁电机的噪声和振动得到有效控制。
5、电机性能对比
2.4 结论
在低速大扭矩驱动系统中，采用SPWM供电下的PMSM驱动模式，与传统的电机-减速机模式相比具有明显的优势，在驱动系统的传输性能方面可以实现高效高力能密度；在控制性能方面，可以实现最佳负载角控制。要消除低频转矩脉动的影响，在低速大扭矩PMSM的设计中，必须使电枢内电势的波形正弦化。实现内电势波形正弦化的四个要点是：[1]采用切向磁极结构，并合理地调节漏磁的大小；[2]合理选择主磁极极弧系数；[3]定子采用分数槽绕组；[4]定子斜槽。
3. 与国外同类技术比较
目前，低速大转矩永磁同步电动机主要应用在无齿轮电梯的曳引传动中。在该技术领域中，代表当代国际先进水平的产品是日本和德国的几家公司，其中在电机方面日本以安川公司，德国以威特公司为代表。本项成果与日本安川和德国威特公司相同规格产品（额定转矩：580Nm，额定转速：163rpm，额定功率：10Kw）的综合对比如下表1所示。
4. 成果的创造性、先进性
成果的创造性主要体现在：
[1] 在低速大转矩无齿轮传动中，消除了低频转矩脉动。使电机保持平稳运行的最低频率下降至0.2Hz，是日本技术的十分之一。
[2] 有效地消除了电机中的磁场谐波，使电机内电势的波形畸变率低于2%，比国家要求的电网波形畸变率5%指标低3个百分点。
[3] 由于采用了基于人工智能的电子-电气-机械一体化设计，使电机从系统全局最优化观点设计，所以效率和功率因数略高于日本和德国的水平。
先进性体现在：
[1] 理论上，利用电子-电气-机械一体化最优观点进行系统设计，突破了传统的三个学科界限。
[2] 产品的整体性能达到或超过了国外先进水平，效率高1个百分点，功率因数高2个百分点，最低允许频率优越10倍，并且噪音低，价格是国外的48%。因此，性价比是国外先进水平的2倍以上。
5. 作用意义（直接经济效益和社会意义）
大力应用新型永磁材料，将我国资源优势转化为产业优势，能带动高新技术产业及相关产业的迅速发展，形成国民经济新的增长点。因此，高效稀土永磁电动机是一种市场看好，应用潜力巨大的产业。
高效稀土永磁同步电动机是一种高效节能产品，平均节能率高达25%以上，部分专用电机平均节电率高达30—40%左右，而且可以做到价格合理。尤其是在低速大转矩传动中，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。我国开发的高效低速大转矩稀土永磁同步电动机，在国际市场有极强的竞争力。据电力部门估算，石油，矿山等行业五六十年代的老设备约占1/3，其本身运行效率只有30—40%，系统运行效率大约为20%。齿轮箱年维修费用大，若采用低速大转矩稀土永磁同步电动机，电机的成本将增加40%，而运行效率可提高50—65%，如果这些电机更新换代没那么将有一个很大的市场空间。
6. 推广应用的范围、条件和前景以及存在的问题和改进意见
稀土永磁材料的开发的稀土电机具有中国特色，不仅居世界先进水平，而且在大功率超高效率等方面居国际领先地位。我国稀土电机的技术水平超过美国和欧洲国家对电机产品的节能认证标准，且我国电机生产厂家众多，忠孝机电产品户口较多。我国开发稀土电机具有技术、市场两方面的有利因素，竞争优势明显。
目前，全国每年生产各种电机约3600万千瓦，稀土永磁电机在新年息产业、机电一体化、汽车、摩托车、冶金矿山设备、风机，水泵等都有广泛应用前景。如每年使用钕铁硼磁体600~800吨，生产300万千瓦稀土永磁电机，产值6亿元，可为国家节省电力投资6亿元，节省电费2亿元。
我国50年代至60年代车生产的J,J0系列电机、体积大、绝缘性能差，效率低，据统计还具有总装机容量的10%~15%，即达3000~4500万千瓦。60年代至70年代推广的J2、J02系列电机，起动性能差，效率也较低，这类产品约占60%~70%，即达2亿千瓦左右，如用稀土永磁电机代替，每年更新3000万千瓦，每年可增产值60亿元，可是几百个电机厂从停产、半停产困境中摆脱出来。
所以本产品市场发展潜力巨大。
项目建成后达产年可实现销售收入6023万元，出口创汇300万美元，利润总额1531万元，销售税金及附加445万元，全部投资每部收益率（税后）为41.98%，投资回收期为3.68年，项目具有较好的收益及投资回收能力。
参考文献
[1] J. Salo, T. Heikkil?, and J. Pyrh?nen, “New Low-Speed High-Torque Permanent Magnet
Synch ronous Machine With Buried Magnets,” Proceedings of ICEM’2000 28-30 August Espoo Finland, pp. 1246-1250.
[2] Nicola Bianchi, Silverio Bolognani, “Reducing Torque Ripple in PM Synchronous Motor by
Pole-Shifting”. Proceedings of ICEM’2000 28-30 August Espoo Finland, pp. 1222-1226.
[3] N. Bianchi, S. Cervaro, and L. Malesani, “Current Shapes for Minimizing Torque Ripple in SPM
Motors”. Proceedings of ICEM’2000 28-30 August Espoo Finland, pp. 1237-1241.
[4] P. Lampola, P. Saransaari, “Analysis of a Multi-pole, Low-Speed Permanent-Magnet Synchronous
Machine”. Proceedings of ICEM’2000 28-30 August Espoo Finland, pp. 1251-1255
[5] Morimoto S., “Servo Drive System and Control Characteristics of Salient Pole Permanent Magnet
Synchronous Motor,” IEEE Trans. IA. 1993,29(2):338~343.
[6] 唐任远等著. 现代永磁电机的理论与设计. 北京：机械工业出版社，1997.
[7] 程福秀，林金铭主编. 现代电机设计. 北京：机械工业出版社，1993.
[8] 张炳义，冯桂宏，王凤翔，王益全，王丽峰. SPWM供电下低速大扭矩永磁同步电动机的设计特点. 电工技术
学报，2001年第6期，85-90。
[9] Zhang Bingyi, Feng Guihong, Wang Fengxiang, Wang Yiquan, Wang Lifeng. Optimized Design of Inner Potential
Waveform of PMSM for Low-Speed & High-Torque Drive Systems. Proceedings of PowerCon’2002, Kunming. [10] Zhang Bingyi, Feng Guihong, Wang Fengxiang, Wang Yiquan, Wang Lifeng. Design Principles of Low-Speed
High-Torque PMS Mot or with SPWM Inverter Power Supply. Proceedings of CICEM’2001,Shenyang, 828~830. [11] Zhang Bingyi，Wang yi quan，Feng Guihong，Sun Guanggui，Wang Xiaofan. Parameter Calculation of
Irregular Phase Belt Windings for Changeable-Pole Motors Based on Slot Current Analysis. ICEMS’2003, Beijing. [14] Zhang Bingyi, Wang Fengxiang, Feng Guihong. Auto-variable speed system of hook driving motor for large tower
crane，Proceedings of CICEM’99，Xian. 1999. 784-787.
[15] Zhang Bingyi, Wang Fengxiang, Feng Guihong. Analysis and design of a transformer with medium frequency
squarewave voltage power supply, Proceedings of ICEM’2000, Finland. 980-984.
[16] Zhang Bingyi, Wang Fengxiang, Feng Guihong. A medium-frequency induction heater for development of viscous
and high-s olidifying oil deposits, Proceedings of IPEMC’2000, Beijing, 875-879. 收入ISTP
[12] Gao Guoqiang, Wang Fengxiang, Zhang Bingyi. A new torque protector for heavy tower crane, Proceedings of
CICEM’99, Xian 345~348.
[13] Feng Guihong, Wang Fengxiang, Zhang Bingyi. Dynamic performance simulation of a magnetically controlled
reactor, Proceedings of CICEM’99, Xian, 380~383.
[14] Feng Guihong, Wang Lifeng, Zhang Bingyi, Sun Guanggui. Static Magnetic Field Analysis of Low-speed and
High-torque PMSM. ICEMS’2003, Beij ing.
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/854485710.html, 永磁电机齿槽转矩的研究分析 作者：邓秋玲,黄守道,刘婷,谢芳 来源：《湖南大学学报·自然科学版》2011年第03期 摘要：研究了永磁电机齿槽转矩产生的机理和降低齿槽转矩的一些措施.以4极、48槽表面式稀土永磁同步电动机为例，利用二维有限元法分析了极弧系数、磁极偏移和开辅助槽对永磁电机齿槽转矩的影响.将理论分析得到的齿槽转矩结果与样机的齿槽转矩测试结果进行了比较，两者基本吻合.研究表明：通过选择合理的方法能够有效地降低齿槽转矩. 关键词：永磁电机;齿槽转矩;磁场分析;有限元分析 中图分类号：TM351 文献标识码：A Study of Cogging Torque in Permanentmagnet Machines DENG Qiuling1,2，HUANG Shoudao1, LIU Ting1, XIE Fang1 (1.College of Electrical and Information Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China; 2.College of Electric and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan, Hunan 411101,China) Abstract:The mechanism of the cogging torque generated in permanent magnet machines and some measures to reduce cogging torque were studied. Taking a rare earth type, permanent magnet synchronous motor with four poles, fortyeight slots, surfacemounted as an example, this paper analyzed the influence of pole arc coefficient, magnet pole displacement and adding supplementary slot on cogging torque in a twodimensional finite element analysis method. The computed cogging torque values were compared with the experiment values of the sample machine, both of which agree with each other well. The research results have indicated that, with the appropriate choice of these methods, the cogging torque can be reduced effectively. Key words:permanentmagnet machine;cogging torque;magnetic field analysis;finiteelement analysis 随着高性能永磁材料的发展和永磁电机设计制造技术的不断提高，永磁电机广泛应用于速度和位置控制系统中.在开槽永磁电机中，由永磁体和开槽电枢铁心之间相互作用产生的齿槽
电机转矩、功率、转速之间的关系及计算公式 电动机输出转矩： 使机械元件转动的力矩称为转动力矩，简称转矩。机械元件在转矩作用下都会产生 一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩。 转矩与功率及转速的关系：转矩(T)=9550*功率(P)/转速(n)? 即:T=9550P/n 由此可推导出： 转矩=9550*功率/转速《＝＝＝》功率=转速*转矩/9550 方程式中： P—功率的单位（kW）； n—转速的单位（r/min)； T—转矩的单位（N.m）； 9550是计算系数。 电机扭矩计算公式 T=9550P/n 是如何计算的呢？ 分析： 功率=力*速度即 P=F*V---——--公式【1】 转矩(T)=扭力(F)*作用半径(R) 推出F=T/R------公式【2】 线速度(V)=2πR*每秒转速(n秒)=2πR*每分转速(n分)/60=πR*n分/30------公式【3】 将公式2、3代入公式1得： P=F*V=T/R*πR*n分/30 =π/30*T*n分 -----P=功率单位W， T=转矩单位N.m， n分=每分钟转速单位转/分钟 如果将P的单位换成KW，那么就是如下公式： P*1000=π/30*T*n 30000/π*P=T*n 30000/3.1415926*P=T*n 9549.297*P=T*n 这就是为什么会有功率和转矩*转速之间有个9550的系数关系。。。 转矩的类型 转矩可分为静态转矩和动态转矩。 ※静态转矩 静态转矩是值不随时间延长而变化或变化很小、很缓慢的转矩，包括静止转矩、恒定转矩、缓变转矩和微脉动转矩。? 静止转矩的值为常数，传动轴不旋转； 恒定转矩的值为常数，但传动轴以匀速旋转，如电机稳定工作时的转矩； 缓变转矩的值随时间延长而缓慢变化，但在短时间内可认为转矩值是不变的； 微脉动转矩的瞬时值有幅度不大的脉动变化。 ※动态转矩 动态转矩是值随时间延长而变化很大的转矩，包括振动转矩、过渡转矩和随机转矩三种。 振动转矩的值是周期性波动的； 过渡转矩是机械从一种工况转换到另一种工况时的转矩变化 过程；随机转矩是一种不确定的、变化无规律的转矩。
齿槽转矩测试的必要性和方法 近年来随着永磁材料的发展，永磁电机成了电机行业的新宠。然而在永磁电机中，齿槽转矩的存在给电机的控制性能造成了很大的影响，那齿槽转矩到底是怎么产生的？我们又该怎么去测呢？ 玩过永磁电机的朋友都有过类似的经历：我们在电机掉电的情况下去转电机的转子，发现会有一种卡顿的感觉，而不像传统直流电机那么顺畅的就能把转子徒手转起来。这种卡顿其实就是因为永磁电机存在齿槽转矩。永磁电机内部结构图如图1所示，齿槽转矩是永磁电机的固有的特征之一，它是在电枢绕组不通电的状态下，由永磁体产生的磁场同电枢铁心的齿槽作用在圆周方向上产生的转矩。它其实是永磁体与电枢齿之间的切向力，使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势，试图将转子定位在某些位置，由此趋势产生的一种振荡转矩就是齿槽转矩。 图1 永磁同步电机结构图 齿槽转矩会使电机产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能。在变速驱动中，当转矩脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。所以做永磁电机研发的工程师希望把自己做的电机的齿槽转矩降到最小，使用永磁电机的工程师则希望了解手上这台电机的齿槽转矩，从而去优化他的控制算法。 在国标GBT/ 30549-2014里对齿槽转矩的测试有了明确的定义：电机绕组开路时，电机回转一周内，由电枢铁心开槽，有趋于最小磁阻位置的倾向而产生的周期性力矩。齿槽转矩的测试方法常用的有：杠杆测量法、转矩仪法。杠杆测量法比较简单，测量精度比较差，所以主要用于对精度要求不高的场合。转矩仪法架构图如图2所示，由于伺服电机的齿槽转矩非常小，所以测试时需要以一个非常低的转速来带动未上电的被测电机来完成测试，
低速大扭矩电机
低速大扭矩电机 0.5～1kw低速大扭矩电机安装图及技术参数 交流电压转速额定转矩峰值转矩峰值功率电流峰值电流效率重量功率
0.5 kw 220V 180rpm 26Nm 50Nm 1KW 1.5A 3A 88.3% 36kg 0.8 kw 220V 180rpm 42Nm 80Nm 1.6KW 2.4A 5A 88.4% 42kg 1 kw 220V 180rpm 53Nm 100Nm 2KW 3A 6A 88.5% 56kg 1.5～ 2.5kw低速大扭矩电机安装图及技术参数 3～5.5kw低速大扭矩电机安装图及技术参数
交流电压转速额定转矩峰值转矩峰值功率电流峰值电流效率重量功率 3 kw 380V 180rpm 159Nm 300Nm 6KW 5.8A 12A 90.3% 116k 4 kw 380V 180rpm 212Nm 430Nm 8KW 7.6A 16A 90.4% 122k 5.5 kw 380V 180rpm 292Nm 600Nm 12KW 11.2A 23A 90.5% 136k 6～7.5kw低速大扭矩电机安装图及技术参数
功率交流电压转速额定转矩峰值转矩峰值功率电流峰值电流效率重量 6 kw 380V 180rpm 318Nm 600Nm 12KW 10.8A 22A 91.8% 172kg 7.5 kw 380V 180rpm 398Nm 800Nm 15KW 13.2A 26A 91.9% 190kg 8~17kw低速大扭矩电机安装图及技术参数 20Kw低速大扭矩电机安装图及技术参数
沈阳工业大学科技成果——低速大转矩低压大 功率直驱稀土永磁电动机 项目简介 该项目针对传统大型机械装备传动系统复杂和电压等级高的问题，提出采用低速大转矩低压大功率稀土永磁电动机直接驱动机械负载的方法，简化传动结构的同时降低了电压等级，提高了大型电气传动系统的性价比和可靠性。围绕该技术已经申请多项发明专利。 永磁电机直驱泥浆泵系统样机 应用领域 该技术可以在大型矿山机械、石油机械、水泵压缩机、冶金机械、施工机械、起重机械、港口机械、鼓风机械、农用机械、注塑机械、船舶动力机械等众多工业领域进行推广。 技术特性
采用电力电子电源供电的低速大转矩永磁电机直驱系统能够满足200-500r/min，1000Nm以上的负载要求，尤其适用于转速为200r/min以下的超低速负载。低压大功率永磁直驱系统采用1KV以下电压等级，并能满足1MW以上的功率输出要求。系统运行平稳可靠，具有性价比高和高效节能的优点。 石油钻机绞车用直驱永磁电机 专利情况一种用于无齿轮曳引机的交流永磁伺服电动机，CN200620092601.0；一种低压大功率多支路永磁同步电动机，CN200810010920.6；低压大功率多支路交流电动机的多变频器调速系统，CN200810011050.4。 创新内容 采用多极低速大转矩永磁电机直接驱动负载，取消减速机，简化
传动系统。采用多支路控制方法，巧妙解决了传统低压大功率系统电流过大给系统控制带来的难题。 成熟程度 已成功应用到石油机械、矿山机械、注塑机械、农用机械、电梯传动机械上；其中“永磁同步无齿轮电梯曳引机”，“电动修井机”和“永磁直驱式螺杆泵”已实现大规模产业化。 合作方式技术转让、技术开发
EMCM：低速大转矩永磁直驱电机在索道上的应用 在EMCM看来，传统客运索道驱动系统一般采用电机加减速器的驱动模式，减速器作为动力传达机构，可以降低输出轴的旋转速度，同时将电机的转矩成比例地放大到减速器的输出轴，再通过与减速器输出轴相啮合的驱动轮将动力传递至运载索，从而使索道的运行速度符合设计要求。但减速器在使用过程中，存在漏油、振动、过热和噪声大等缺点，会降低设备的连续运转能力与可靠性。由于减速器存在机械效率损失，使得系统对电能的利用率降低。在索道的维护工作中，减速器维护一直是重要部分。减速器润滑油泄漏或污染、轴承及齿轮等零部件的损坏均可能导致减速器无法正常工作，造成安全隐患。在高温环境下工作的减速器应设置循环式冷却系统，在低温地区工作的减速器还应设有防冻措施。 近年来，直接驱动系统在国际索道公司产品上被采用。采用直接驱动技术的索道，淘汰了笨重的减速器，将低速大转矩直接驱动电机直接连接到驱动轮上，与传统电机加减速器驱动相比，直接驱动省略了由减速器带来的一系列缺点，因而有诸多优势，目前国内已有直接驱动式索道建成并投入使用。 直接驱动技术
直接驱动的概念于1980 年由麻省理工学院的H.Asada 首次提出，最早应用在机器人上。直接驱动旨在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，由于省略了皮带或齿轮箱等中间传动部件，结构极大简化，从而使整个系统具有高效率、低能耗、高速、高精度、高可靠性、低维护、高刚度、快响应、无需润滑、运行安静等优点。直接驱动技术被国外工业界称为现代驱动技术中的先进方法和技术，越来越多地应用在各行业中。 空调、冰箱、洗衣机等家用电器采用直接驱动电机可实现直驱变频调速，电机的转速可根据电器所需工况自动调节，从而提高效率，降低能耗和噪声。如采用直驱式永磁无刷电动机的洗衣机效率可提高近30%，采用直驱式永磁无刷电动机的变频空调效率可以提高近20%。 直接驱动电机在现代电动汽车领域应用较为广泛,其中永磁同步电动机具有高效率、高控制精度、高转矩密度、较好的转矩平稳性及低振动噪声等优点。在相同质量与体积下，与其他类型的电机驱动系统相比，永磁同步电机直驱系统能够为新能源汽车提供最大的动力输出与加速度。 在数控机床、纺织、冶金、印刷、邮政机械、包装、自动化生产线以及专用特种设备等领域，常需要高性能伺服系统，采用低速大转矩直接驱动电机可以避免由中间传动机构带来的精度误差, 简化结构，节省空间，满足高效率、高精度、高性能的要求。 索道直驱的优势分析 1）高效节能环保 直接驱动由于省略了中间传动机构，将多级转换系统简化为单一直接的驱动系统，将多个效率相乘的低效系统转变为单个效率的高效系统，减少了中间过程的能量损耗，其综合效率比传统普通电机加减速器驱动的综合效率高出5% 左右。客运索道作为一种需要长时间连续运转的运载工具，采用直接驱动可节省电能，符合国家节能减排的要求。由于不使用润滑油，减少了对环境的污染。 2）结构紧凑，占用空间少 索道采用直接驱动省去了笨重的减速器及联轴器，可以极大地节省索道站房空间，为日
永磁同步电机齿槽转矩分析与控制总结 齿槽转矩是永磁电机固有的特性，它会使电机产生转矩脉动，引起速度波动、振动和噪声，当转矩脉动的频率与电机定、转子或端盖的固有频率相等时，电机产生共振，振动和噪声会明显增大。齿槽转矩也会影响电机的低速性能和控制精度。 1.齿槽转矩定义：转子在旋转过程中,定子槽口引起磁路磁阻变化, 转子磁通与定子开槽引起的气隙磁导（磁阻的倒数）交互作用在圆周方向产生的转矩为齿槽转矩。 齿槽转矩也称定位转矩，它的产生来自永磁体与电枢齿间的切向力，使转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势. 2.齿槽转矩影响因素：齿槽形状、磁极极弧系数、永磁体形状、极槽配合、气隙、磁场强度等. 3.齿槽转矩每机械周期齿槽转矩周期数：N co=LCM（Z，2p），Z为槽数，2p为极数,LCM表示最小公倍数. 4.齿槽转矩一个周期机械角度为：θsk=360°／N co 5.齿槽转矩基波频率为： f c=N co n s=N co f p n s=f p (r/s)为同步转速，p为极对数，f为电源频率. 6.齿槽转矩的通用表达式： T co=∑T n ∞ n=1 sin(nN coθ+?n) n=1时对应的齿槽转矩的基波幅值为T1, θ为转子机械角位置. 7.齿槽转矩的计算： 齿槽转矩可以通过计算响应区域的磁能积得到，T ec=dW c dθ ，式中，磁共能： W c=∫Bθ2 2μ0 d(υr)(J) 对气间隙区域应用麦克斯韦张力张量法计算齿槽转矩，有： T ec=L L gμ0∫rB n S g B t ds，
L为有效转子长度；L g为气隙长度；μ0为自由空间磁导率；r为虚拟半径；B n和B t为气间隙磁通的径向和切向分量；S g为气隙表面积. 8.降低齿槽转矩措施： 1)无槽绕组：采用无槽绕组可以完全消除齿槽转矩，但气隙磁通密度会降低， 需要增加永磁体的材料（高度）. 2)定子斜槽：通常定子斜槽等于一个槽距，可将齿槽转矩降为零，但定子斜槽 减小电动势，电机性能会下降，转子偏心情况，斜槽有效性降低。 θco=θsk=2πN co 当定子叠片斜过这个角度时，齿槽转矩为： T sk= 1 θsk ∫T co θsk (θ)dθ= 1 θsk ∑∫T n 2π N co ∞ n=1 sin(nN coθ+?n)dθ= 1 θsk ∑[ ?T n cos(nN coθ+?n) nN co ] 2π N co ∞ n=1 =0 3)改变定子槽型：a.齿顶开辅助槽，辅助槽也产生齿槽转矩，辅助槽产生的齿槽 转矩与原定子槽产生的齿槽转矩会相互叠加，产生合成齿槽转矩，其相位差： φnc=2π s(N n+1) ，N n为每齿开的辅助槽数，谐波次数为(N n+1)及其倍数的齿槽转矩相互叠加后不为零且频率提高，而合成转矩的其他高次谐波则被消除。为使辅助槽能有效减小齿槽转矩，需要遵循一定的原则 （HCF[(N n+1)，N p]=1, HCF表示最大公约数，N p为1个齿距内的周 期数，N p=2p HCF[Z,2p] ），否则齿槽转矩可能反而会增大。定子齿开槽对电机性能有一定影响，会降低反电动势. b.减少槽口的宽度，一般情况齿槽转矩随着槽口宽度增大而增大，优化槽宽与 槽距的比值可降低齿槽转矩,但转矩波动可能会增大. c.闭口槽，设计闭口槽时需要正确设计相邻齿的连接桥，连接桥太厚，定子槽 漏磁太大而不可接受. d.不等齿宽槽.
IC S 23.100.10 J20 JB/T8728－1998 低速大扭矩液压马达 L ow speed high to rque hydraulic motor 1998-03-19 发布1998-07-01 实施中华人民共和国机械工业部发布
JB/T8728－1998 前言 本标准的附录A是标准的附录。 本标准由全国液压气动标准化委员会提出并归口。 本标准起草单位：机械工业部天津工程机械研究所。 本标准主要起草人：温华平。 本标准于1998年3月首次发布。 I
1 1 范围 本标准规定了内曲线径向柱塞马达、曲轴连杆径向柱塞马达、曲轴无连杆径向柱塞马达、径向钢球马达、双斜盘轴向柱塞马达等五种低速大扭矩液压马达的结构类型、基本参数、技术要求、试验方法、检验规则和标志、包装。 本标准适用于以液压油或性能相当的其他矿物油为介质的内曲线径向柱塞马达、曲轴连杆径向柱塞马达、曲轴无连杆径向柱塞马达、径向钢球马达、双斜盘轴向柱塞马达等五种结构类型的低速大扭矩液压马达。其他结构类型的低速大扭矩液压马达可参照使用。 2 引用标准 下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。 GB/T 786.1—93 液压气动 图形符号 GB 2346—88 液压气动系统及元件 公称压力系列 GB 2347—80 液压泵及马达公称排量系列 GB/T 2353.2—93 液压泵和马达安装法兰与轴伸尺寸系列与标记(二) 多边形法兰(包括圆形法 兰) GB 2828—87 逐批检查计数抽样程序及抽样表(适用于连续批的检查) GB/T 2878—93 液压元件螺纹连接 油口型式和尺寸 GB 3767—83 噪声源声功率级的测定 工程法及准工程法 GB 7935—87 液压元件 通用技术条件 GB 7936—87 液压泵、马达空载排量 测定方法 GB/T 14039—93 液压系统工作介质固体颗粒污染等级代号 JB/T 2184—77 液压元件 型号编制方法 JB/T 5058—91 机械工业产品质量特性重要度分级导则 JB/T 7858—95 液压元件 清洁度评定方法及液压元件清洁度指标 3 定义 本标准采用下列定义。 3. 1 额定压力 额定工况下的压力。 3. 2 空载压力 机械工业部 1998-03-19 批准 中华人民共和国机械行业标准 低速大扭矩液压马达 Low spe ed high torque hydraulic motor JB/T 8728－1998 1998-07-01 实施
基于ANSOFT的永磁同步伺服电机齿槽转矩分析 第32 卷第4 期2014 年07 月佳木斯大学学报( 自然科学版) Journal of Jiamusi University ( Natural Science Edition) Vol．32 No．4 July 2014 文章编号: 1008 －1402( 2014) 04 －0559 －04 基于ANSOFT 的永磁同步伺服电机齿槽转矩分 析 1 2 1 黄金霖，易靓，曹光华 ( 1．安徽机电职业技术学院电气工程系，安徽芜湖241000; 2．江西理工大学电气工程与自动化学院，江西赣州341000) ① 摘要: 齿槽转矩是永磁电机的固有属性，引起电机的转矩波动，产生振动和噪声．为减小齿槽转矩，提高永磁伺服电机的控制精度，在研究永磁电机齿槽转矩产生机理的基础上，根据永磁电机齿槽转矩的解析式，研究定子齿部开辅助槽和转子磁极偏移对永磁电机齿槽转矩的影响; 利用有限元软件ANSOFT，建立36 槽8 极永磁伺服电机的有限元分析模型，计算不同尺寸辅助槽和磁极偏心距离时的齿槽转矩，分析辅助槽尺寸和磁极偏心距离对齿槽转矩的影响．研究结果表明，合理的辅助槽尺寸和磁极偏心距离可有效削弱永磁伺服电机的齿槽转矩．关键词: 齿槽
转矩; 磁极偏心; 辅助槽; 永磁电机 中图分类号: TM303 文献标识码: A 随着矢量控制算法、电力电子器件和计算机控制技术的不断发展，永磁伺服电机的应用越来越广．在数控机床、小型机器人、机械传动设备以及混合电动汽车等领域，永磁伺服电机已经代替传统的异步电机和直流电机成为许多领域必不可少的传［1］， 动设备． 永磁伺服电机结构与普通异步电机相比，转子永磁体取代了传统的转子绕组，转子永磁体的存在，使得电机的效率和功率密度高; 与此同时，转子永磁体与定子槽相互作用，产生齿槽转矩，使得电机转矩波动增加，产生振动与噪声，影响伺服电机的控制精度．齿槽转矩是永磁电机特有的属性，因此，怎样减小永磁电机的齿槽转矩成为相关专家学者研究［2］ 的重点之一． 其中，μ0 是空气磁导率． ( 2) 以及气隙磁密随着电机定转根据式( 1) 、 子相对位置角和沿气隙切向不同位置分布的解析表达式，得到齿槽转矩的表达式为: T cog = － 1 α
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
1. 项目背景与研究目的 [1] 项目背景 21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。 [2] 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转矩纹波[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。
低速大扭矩液压马达运转无力的现象分析 19世纪50年代末期，最初的低速大扭矩液压马达是由油泵的一个定转子部件发展而来的，这个部件由一个内齿圈和一个与之相配的齿轮或转子组成。 一，低速大扭矩液压马达回转无力 液压马达是执行机构，设在液压传动的末端，是把液压能转换为机械能，使平台回转。此马达采用轴向柱塞点接触中转速的液压马达。 1、现象 工作时平台转动速度低于6r/min 2、原因分析 液压马达与轴向柱塞泵的结构与工作原理基本相同。轴向柱塞泵是通过吸油和压油产生动力，即把机械能转换为液体压力能。而液压马达进入的是高压力油，排出去的是低压力油，即将液体压力能转换为机械能。由此看来液压马达实质上相当于多个单缸柱塞油缸的组合，即把多个单向油缸周向均布，柱塞的外端顶在斜盘。当油泵向油缸提供压力油时，柱塞在压力油的作用下伸出，并在斜盘上下滑，于是产生了一个转矩，油泵连续不断地向液压马达提供压力油，液压马达就连续不断的转动，并通过齿轮传动箱使最终驱动齿轮与车架固定的内齿圈啮合而带动平台旋转。 由上可知，液压马达的构造与工作原理与前述液压油缸的工作原理基本相同，如果液压马达出现转动速度缓慢的故障时，其分析、诊断与排除的方法与工作装置的液压油缸和轴向柱塞泵相类似，故在此不再赘述。分析、诊断与排除液压马达故障时请参看前述内容。二，低速大扭矩液压马达“爬行”状态 1、现象 平台转动时出现忽停忽动，即转动不连续。速度缓慢，力量不足等现象。 2、原因分析 低速大扭矩液压马达是一个能量转换装置，即输入液体压力能转换机械能输出，若不考虑压马达本身效率时，应该是能量的输入等于输出。由此看来，液压马达转动无力必然是输入液压马达的能量减少，当能量难以克服平台转动阻力时，就出现了停转。 根据液压传动原理可知，液压马达这是靠液体压力来转动的。液压马达在操纵阀接通压力油路的情况下停转，必然是因输入液压马达柱塞油缸的油液工作压力不足以克服平台运转阻力而停转。待积蓄的能量足够克服阻力时，液压马达使克服阻力而冲跳转动，系统内的油液压力又陡降，马达又停顿，这样反复下去形成平台“爬行”，或者是阻止液压马达转动的阻力过大导致“爬行”。至于能引起输入液压油液的流量减少和工作压力减少，请参看大臂油缸举升缓慢的原因分析与诊断。 总之，液压马达“爬行”使系统内油液压力不稳定，油液压力不稳定多数是因系统内有空气所致，系统内进入空气的原因与第一部分相同。 液压马达转动阻力过大的原因导致马达的本身机械效率低。如柱塞与配合磨擦副阻力过大，斜盘与柱塞磨擦阻力过大、轴承不良引起磨擦阻力过大，或者是传动箱机械传动效率低。或者是平台的转盘机械擦阻力过大所致。 三、诊断与排除 如果液压工作装置的油缸也有“爬行”的现象，其故障在液压系统的总油路部分，应按第一部分大臂油缸举升缓慢所述的诊断方法进行诊断，重点检查气穴，查明原因后并对症排除。
中图分类号:T M351 T M341 文献标识码:A 文章编号:100126848(2007)0520083203 低速大转矩永磁同步电动机测速系统设计 陈永军 1,2 ,黄声华1,万山明 1 (11华中科技大学电气与电子工程学院,武汉 430074;21长江大学电子信息学院,荆州 434023) 摘 要:介绍了一种基于T MS320LF2407数字信号处理器的数据采集、处理和通讯系统。该系统充分利用了DSP 芯片具有的高速、高性能处理能力以及内部集成的捕获单元模块,并与光电编 码器组成电机转速测试系统,直接测量电机的转速。通过集成的串行通讯接口(SC I )模块与计算机之间进行数据传输可以实时地在计算机终端上显示出来。试验结果表明了该设计方案的可行性。 关键词:T 测速法;T MS320LF2407;串口通讯;永磁同步电动机;速度测量 D esi gn of Speed M ea sure m en t Syste m for L ow Veloc ity and Huge Torque Per manen tM agneti c SynchronousM otor CHEN Yong 2jun 1,2 ,HUANG Sheng 2hua 1,WAN Shan 2m ing 1 (11Huazhong University of Science &Technol ogy,W uhan 430074,China;21College of Electr onics and I nfor mati on,Yangtze University,J ingzhou 434023,China ) ABSTRACT:A data acquisiti on,p r ocessing and co mmunicati on syste m based on DSP T MS320LF2407is intr oduced .An instru ment of measuring the vel ocity of mot or is consisted of above 2menti oned syste m and phot oelectric encoder .H igh s peed and high perfor mance DSP chi p and internal integrated cap ture model are used t o measure mot or vel ocity and l ocati on in this syste m.Data trans m issi on bet w een internal integrated serial communicati on interface (SC I )and computer can be dis p layed on the upper computer in real ti m e . Feasibility of above design s oluti on is p r oved thr ough the result of experi m ent 1 KEY WO RD S:T s peed measure ment method;T MS320LF2407;Series communicati on;P MS M;Speed measure ment 收稿日期:2006210218 0 引 言 低速大转矩永磁同步电动机转速测试是值得研究的一个课题。传统的转速测量方法较多,但都普遍存在硬件成本大、测量精度较低、测试过程复杂等缺点。本文介绍了一种基于DSP 的永磁同步电动机低速测量方法,上位机采用Del phi 710高级语言编程。该方法测量精度高,能有效抑制低速干扰,测试效果良好。 1 基本原理 当永磁同步电机低速旋转时,从编码器输出的脉冲信号经过简单的整形电路,可直接送到 T MS320F2407内部捕获单元(CAPT URE ),经过软 件数据处理、数字滤波等处理,将数据实时地通过串口传给上位PC 机。测速系统的原理如图1所示。 图1 测速系统整体结构图 常用的光栅测速方法有三种:测频法(M 法)、测周法(T 法)和测频测周法(M /T 法)。转速越低,M 法测速误差越大,所以M 法不适合低转速测量。 低速大转矩永磁同步电动机测速系统设计 陈永军 黄声华 万山明
低速大转矩电机用于收放卷场合 来源：湘潭电机集团有限公司 https://www.doczj.com/doc/854485710.html,/ 1. 中心收、放卷如果用4极普通电机，它的工作电流常常只有电机额定电流的一半左右。下面分析一下产生的原因和改善的方式。 2.根据收、放卷系统要求，我们可以计算出需要的最大电机转矩：T，需要的电机最大转速：V，卷径最大时的直径：D卷径最小时的直径: d，卷径最大与最小的比值：N＝D/d 3.如果我们要求T和V同时出现，那么电机功率P1＝T*V/9550。但对于中心收、放卷系统最大的T和V是不会同时出现的。 4.最大卷时，电机转矩为T，而这时电机速度只有V/N。 5.最小卷时，电机速度为V，而这时电机转矩只有T/N。 6.中间过程时，卷的直径＝r，那么电机转矩＝T /D×r，电机速度=V×d/r。 7.那么实际电机需要的功率P2＝T*V/N/9550，也就是在材料的速度与张力不变时，电机是恒功率运行的。而且理论上可以比P1小了N倍。 8.实际选择P2时要加上一定的安全系数，即T和V都要考虑余量。 9.举例：T=32Nm，V＝1400rpm，N＝7。 10.如果我们要求T和V同时满足那就需要选择 IAG132S-1500-5.5电机：5.5KW，36.2Nm，额定电流12.5A，恒扭距范围是60－1500rpm。 11.根据上面的分析，我们可以选择富田低速4极电机 IAG132S-600-2.2：2.2KW，38.9Nm，额定电流5.2A，恒扭距范围是30－600rpm，恒功率范围是600－1400rpm。 12.两个电机的机座号、尺寸、转矩一样，需要的减速比一样，
也都是4极变频电机，电气控制一样，但使用的变频器功率差2.5倍。 13.还有一种方式是使用10极2.2KW电机，但因10极电机效率较低、能耗较大，一般需要把变频器放大一、二档。 结论：收、放卷是一个恒功率过程，不需要恒扭矩范围选在0－1500rpm，选小恒扭距范围也就意味着降低了电机功率。这样可以大大减少变频器成本。
低速大扭矩液压马达选型 在动力传递中如果需要得到低速大扭矩，当然可以选用一台电动机也可选用一台汽油机，柴油机或透平发动机，甚至是一台高速液压马达。但是，在这些原动机后面需要加上一个能产生大扭矩的减速器。如果选用一台特殊设计的低速大扭矩液压马达，它将直接产生低速大扭矩。 1．为什么要用一台低速大扭矩液压马达 高速原动机加上一个减速器的方案有一定缺点，这种装置往往比较笨重，如果把原动机放在一个危险的地方，往往会引起爆炸事故。此外，离合器、齿轮箱以及其它机械形式的减速器，往往使扭矩、转速或二者兼有损失。 采用低速大扭矩液压马达有许多优点，最大好处是结构简单，工作零件最少，因此比较可靠。另外，这种液压马达比带减速器的传动装置要便宜得多，而且传递效率也比较高。再者，由于低速大扭矩液压马达与相同功率的电动机相比，一般体积较小，而且转动惯量也要小得多。 2．各种低速大扭矩液压马达的比较 影响低速大扭矩液压马达工作性能的因素很多，要直接进行比较是不可能的，但是却不妨作一般评述。 基鲁德液压马达(即奥尔必特液压马达)的价格低廉是可取的，机械效率还可以，但是较大的漏损使容积效率降低，一般在低压条件下适用。 2)叶片式液压马达有较多的漏损通道，低速运转时容积效率较低。这种液压马达的径向是平衡的，这有利于提高机械效率和延长使用寿命，适用于低压系统。 3)转叶式液压马达的制造公差比较严格，因此一般价格较高。它的优点是在不同转速下容积效率稳定，径向平衡。 4)径向柱塞式液压马达漏损很少，因此在它的转速范围内都具有较高的容积效率，而且启动扭矩大。偏心曲轴式(单作用)液压马达的启动扭矩在85％左右，等加速度导轨曲面(多作用)液压马达则高达95％。 偏心曲轴或偏心圆轴的径向柱塞式液压马达，其柱塞的简谐运动会使扭矩和速度发生变化，因此在高速中能产生振动和流量脉动。在极低速下运转，可能产生扭矩或速度的波动，甚至使输出轴“抱死”。使用时应注意制造厂关于最高和最低转速范围的规定。 等加速度导轨曲面的径向柱塞式液压马达，能消除上述由于柱塞的简谐运动造成的种种缺点。因为这种液压马达柱塞速度的瞬时总和为一个恒定值。但是这类液压马达的造价较高。 5)轴向柱塞式液压马达特别在低的工作压力下有较高的容积效率，启动扭矩特性也较好。 6)多作用导轨曲面的轴向钢球液压马达在运转中是平衡的，没有脉动或振动，钢球柱塞四周的运动间隙很小，可以有较高的容积效率，扭矩效率约80％。 3．理想的性能特征 一种理想的低速大扭矩液压马达应有较高的启动和制动扭矩效率，它的容积和机械效率也应较高，在满载下能平滑启动，并在整个速度范围内提供全扭矩输出。 低速大扭矩液压马达在整个速度范围内的扭矩脉动应该很小或者为零，并且在一定压力和一个平均速度下保持速度稳定。由于压力平衡，可以改善在慢速下运转的平稳性。 4．大扭矩究竟有多大 大扭矩的范围是30—5000尺磅(4—700公斤·米)。 问题在于扭矩是排量和压力共同决定的。这就产生这样一个问题，如果0．325升／转已经产生大扭矩，8．2升／转将发生极大的扭矩，那么32．5升／转产生的扭矩不是要用“天文”数字来表达了吗? 事实上，小型低速大扭矩液压马达的扭矩只有0．006升／转，在105公斤／厘米’的压力下可发生0．83公斤，米的扭矩，，而大型的达37．5升／转，在210公斤·厘米’的压力下可发生12750公斤·米的扭矩。前者的重量只有4．5公斤，外径约152毫米，后者重量1350公斤，外径约1092毫米。这样两种液压马达很难用文字来比较的。 同时，对低速的要求也不够明确。在实际应用中，从几百转／分至上转／分以下。 5．怎样选用低速大扭矩液压马达
低速大扭矩液压马达 工作原理 液压马达由定子(Cam Ring)1、也称凸轮环、转子(Rotor)2、配流轴(Pintle)4与柱塞组(Leadscrew)3等主要部件组成，定子1的内壁有若干段均布的、形状完全相同的曲面组成，每一相同形状的曲面又可分为对称的两边，其中允许柱塞副向外伸的一边称为进油工作段，与它对称的另一边称为排油工作段，每个柱塞在液压马达每转中往复的次数就等于定子曲面数，我们将称为该液压马达的作用次数；在转子的径向有个均匀分布的柱塞缸孔，每个缸孔的底部都有一配流窗口，并与它的中心配流轴4相配合的配流孔相通。配流轴4中间有进油和回油的孔道，它的配流窗口的位置与导轨曲面的进油工作段和回油工作段的位置相对应，所以在配流轴圆周上有2个均布配流窗口。柱塞组3，以很小的间隙置于转子2的柱塞缸孔中。作用在柱塞上的液压力经滚轮传递到定子的曲面上。 来自液压泵的高压油首先进入配流轴，经配流轴窗口进入处于工作段的各柱塞缸孔中，使相应的柱塞组的滚轮顶在定子曲面上，在接触处，定子曲面给柱塞组一反力N，这反力N作用在定子曲面与滚轮接触处的公法面上，此法向反力N 可分解为径向力和圆周力，与柱塞底面的液压力以及柱塞组的离心力等相平衡，而所产生的驱动力矩则克服负载力矩使转子2旋转。柱塞所作的运动为复合运动，即随转子2旋转的同时并在转子的柱塞缸孔内作往复运动，定子和配流轴是不转的。而对应于定子曲面回油区段的柱塞作相反方向运动，通过配流轴回油，当柱塞组3经定子曲面工作段过渡到回油段的瞬间，供油和回油通道被闭死。 若将液压马达的进出油方向对调，液压马达将反转；若将驱动轴固定，则定子、配流轴和壳体将旋转，通常称为壳转工况，变为车轮马达。 分类 低速大扭矩液压马达分为一般低速大扭矩液压马达，曲柄连杆低速大扭矩液压马达，静力平衡式低速大扭矩液压马达，多作用内曲线液压马达 相关型号 NHM系列马达产品特点：1、采用曲轴及较低激振频率的五缸五活塞机构，保持原有的低噪音特点；2、启动扭矩大，具有良好的低速稳定性，能在很低的速度下平稳运转；3、采用平面可补偿式配油结构，可靠性好，泄漏少，维修方便，活塞和柱塞套采用密封环密封，具有很高的容积效率；4、曲轴和连杆间由滚柱支撑具有很高机械效率；旋转方向可逆，输出轴允许承受一定的径向和轴向外力；5、具有较高的功率质量比，体积重量 MCR系列马达特点： 1、马达规格覆盖各应用领域，排量范围从0.2 L/r至15L/r。 2、模块化概念，适应多种应用场合。 3、配置结构不重复，各马达模块自由组合。 4、性能高，包括起动扭矩大，机械、容积效率高，噪音低，转动惯量小。
变频电机与工频电机有什么区别 一、普通异步电动机都是按恒频恒压设计的，不可能完全适应变频调速的要求。以下为变频器对电机的影响 1、电动机的效率和温升的问题 不论那种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。拒资料介绍，以目前普遍使用的正弦波PWM型变频器为例，其低次谐波基本为零，剩下的比载波频率大一倍左右的高次谐波分量为：2u+1（u为调制比）。高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。除此之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。这些损耗都会使电动机额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%－－20%。 2、电动机绝缘强度问题 目前中小型变频器，不少是采用PWM的控制方式。他的载波频率约为几千到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，会对电动机对地绝缘构成威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化。 3、谐波电磁噪声与震动 普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。由于电动机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有震动频率。 4、电动机对频繁启动、制动的适应能力 由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁启动和制动创造了条件，因而电动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下，给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。 5、低转速时的冷却问题 首先，异步电动机的阻抗不尽理想，当电源频率较底时，电源中高次谐波所引起的损耗较大。其次，普通异步电动机再转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电动机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。 二、变频电动机的特点 1、电磁设计对普通异步电动机来说，再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转差率接近1时直接启动，因此，过载能力和启动性能不在需要过多考虑，而要解决的关键问题