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1、 直接传动 东北大学1 1 0 0 0 6 刘宗富 摘要: 本文 分析了搅拌机类生产机械采用直接传动的可能性和必要性. 一 、概述 . 电动V1 L 控制经历了 一个漫长而曲 折的发展过程自 从1 8 8 9 年出现了鼠笼电动机 它 很快就成为工业原动力的主力军。随着上业的发展，鼠笼电动机的弱点愈来愈明显地显现 出来首先是它的起动问题:起动电流大、起动转矩小;其次是它的调速问题:要么性能 太差，要么价格过高还不够可靠。 直流电动机虽然存在着令人头痛的机械换向间题， 但在需要快速反转的地方， 要求平 滑起制动的地方，要求调速比超过 5 0: 1 的地方，山于它比交流机性能好得多，所以在 1 9
2、5 0 年 后成为高性能电气传动的主流 进人世纪之交， 数字控制把交流机和直流 机的控制从硬件上统一r 起来， 从而使交流 机的 控制复杂性主要体现在 软件上， 于是 直流 机的机械 换向问题就突出出来， 成为 直流 机 衰落的根本原因 时至今口 ， 和直流传动系统相关的各 个薄弱 环节 都发生了 巨人变化， 机械传动街轮却 依然故我，好象运动所掀起的这场革命这动摇不 了 它的坚实葵础J直接传动就是要去掉V xi 轮，打掉连续动行中这个薄弱环节。 二、 直接传动的技术难题 受到电网频率的限制交流机的转速低于 3 0 0 0 转 分一般工业，特别是低速机械需 要降速齿轮有了变频器获得低速已没有困
3、难，还用降速齿轮十1 1 一 么?这涉及到电动机的 制造问题。 导体在磁场中受力是电动机的基本工作原理，如果导体中电流为 1 ，根数为N，有效 长度为L，则导体在磁场B中产生的力 F为: F = NBL II) 磁密 B的大小受铁磁材料导磁能力的制约， 现代电机中气隙磁密的可变范闹较小，可 以认为恒定。导休中允许的电流密度和转子表面 卜 允许的线负荷 N I也受到材料质量和散 热能力 的限制， 在相同的工艺条件下也 是一个 常数 换句i li 说， 在设计一台电机时，B N I 的可变范围是很有限的. 电机的转矩T正比f 线负 荷N I ， 转子表面积D L. 转子 直释D和气隙磁密B T二B
4、 N T ID L( 2) 最佳的电机设计是由最佳的 D / L 比来决定的，故电机设计的首要任务是选取最佳的 D / L比 电机的转矩和转速龙 关， 们电 机的容量却和转速成正 比 所以从电 机制造看希望 转速愈高愈好，这样在相同功率下电机的体积小、省料又省 工，价格当然便宜 下面以 搅拌机为 例来说明降速齿轮的作用。 搅拌机的直接传动 转矩为3 0 0 0 N m， 采用 降速齿轮的传动比为 1 0 0: 1 ，齿轮传动效率为 0 . 7 8，采用 一 台 6 k W 的 4 极鼠签申动机 2 21 传动，电 机的转子个径为。 . 1 1 4 m， 有效铁芯长0 . 1 5 m，电 机转矩
5、为4 1 N m。 如 果 采 用 直 接 传动 ， 在 电 机 材 料 利 用 率不 变的 条 件 下， 电 机 的 体 积D Z L 需 要 增大7 3 . 2 倍， 才 能 提 供3 0 0 0 N m 的 转 矩， 即0 . 1 4 7 m ; o 图I 给出的永磁电机容量为4 0 0 k W， 极数多达1 6 6 ， 转子外径2 . 1 m， 铁芯长 度 1 .0 5 m, 额定转矩 1 0 6 0 0 0 N m，远大于 3 0 0 0 N m -f- f l o c - 门 c 仁 eo f学 口 t o r斤，巴 u1 它 图一1 6 6 极的永磁电机 搅拌机的外径很大， 从外
6、观尺寸上 看将电机的转子外径增大为2 . 1 m，并不过份。假 定直接传动电机和上述4 0 0 k W永磁电机具有相同 的材料 利用率， 则 产生3 0 0 0 N m的电机其 D Z L 为: 4 .6 3 护L = 3 0 0 0 = 0 .1 3 1 m ; 1 0 6 0 0 0 如 果采用2 . 1 m的转子直径，电机的铁芯长度:L = 0 .0 m。不 难理解这 样的D / L 是太 不合理了，所以无法生产。 是否 2 . 1 m的转子直径选得太大 了，可否选得更小 一 些呢?这涉及电机的另一个重要 参数，电机的极数 假定上述4 极电 机的 槽数为3 6 ，3 相电机每极每相槽数为
7、3 、并不算多. 如果保持 同 样的槽宽， 则将4 极增大为1 6 6 极时需要的气隙直径为: 0 . 1 1 4 D= 1 6 6 =1 . 7 3 m 4 这远大于2 . 1 m , 是否极数 选得过多了 呢?否!1 6 6 极的额定转速是3 6 . 1 4 r p m， 而直 接 传动要求的搅拌机转速只有1 5 r p m , 5 0 H z 电机和1 5 r p m X 寸 应的极数是4 0 0 ，即使每极 每相槽数等于I ，定子槽数也多达1 2 0 0 个 传统的交流机， 由于 受到每 极每相 槽数应当大于一的限制， 极数不可能选得过多， 特 别是中小容量的电机， 极数都少于1 0
8、， 同步转速高于6 0 0 r p m 因此低速生产机械只好采 用降 速齿轮去取得生产机械和电动机之间的容量匹配。虽t,增加了 一个耗能很大而且安装 维 修都比 较困难的降速齿轮， 但在生产不出经济合理的低速电 机之前， 这个 设计方案是最 合理的 风力发电，由于 风机的转速在2 0一6 0 r p a 之间，如果采用直接传动 需要生 产出极数 等于3 0 0一1 0 0 的同 步发电机，上述1 6 6 极的同步机就是新式风力 发电机，每 极每相槽数 2 2 2 等于0 . 3 6 1 ， 定子绕组无法按传统方法设计、而是采用图】 所示的E形铁芯定子模块， 个定子模块安放一个线圈，故总共有9
9、0 个线圈用以 构成3 相对称绕组当然这种结构给 制造增加了 很多困 难，但去掉了 升速齿轮 下面研究一 下去掉搅拌机降速齿轮的新式电动 机，扇片定 子电动机 图 I 的永磁同步机容量过大，但 2 . 1 m的转子直径并不显得过大，而且对于某些大直 径的搅拌机可能还显得小了一 点.因为 如果能够利用 搅拌机的机壳 安装电转子，设计出 - 种机电一 体化的搅拌机， 那将是很有发展前途的， 扇片电机就是这种机电一 体化的电 机， 它的转子就是搅拌机的机壳. 生 产3 0 0 0 N m只 需要0 . 1 3 澎的 有 效 材 料， 转子 直 径2 . 1 m已 经 定了 ， 是 搅拌 机 的 外
10、壳 尺寸， 不能改动 但图 l 的定子 是由9 0个定模块拼装起来的， 这种拼装没 有必要 一 定要 构成一个完 整的圆.如果采用扇片定子， 只在 9 0 0 圆周上安排定子铁芯， 则保证 3 0 0 0 N m 的定子铁芯长度 0 . 1 3 1 x 3 6 0 2 I = = 0 .4 7 5 m 2 . 1 2 x 9 护 可见采用扇片 定子后， 定子铁芯的长度1 可以 进行合 理设计， 因为扇片 的占空率a 可 以合理调整， 不 一 定是9 0 0 四、双凸结构永磁电动机 改变电机结构， 设计新的机电 一体 化电机是近一个时期运动控制中 新的增长热点 图 2 示一种新式三相永磁电机，
11、它的性能指标优于 三相鼠笼电动机，我们采用这一结构只想 说明双凸结构的电机还有很多问题值得研究，是很有发展前途的，绝不局限于开关磁阻电 机和混合式步进机.图2的三相永磁电机也是一种混合式步进机，但不是我们用来设计机 电一体化的那种混合式步进机 我们的目 标是用我 们设计0辐向磁路 结构的混合式步进机 去构成直接传动的搅拌机、电 机必须是双凸 结构，这样转子由铸钢制成，表面上只要开出 像齿轮 一 样的齿和槽，大多数搅拌机都具有这种结构，只i 3 槽和街的尺才不对Y-了_ 图二新型双凸结构的永磁电动机 22 3 转子采 用凸极结构，而且是由搅拌机的铸钢外壳加工而 成.不 需要其它材料和部件， 这就
12、把电机的 材料消耗局限在定子 扇片上，转子是利用 搅拌机的外壳，这个外壳直径愈 大. 产生同样转矩需要的力就愈小，也 就是说4 片定子 的体积就愈小 所采用这种直接传 动的机电一体 化生 产设备，最重要的一点 是设备 本身 转动部分要有足 够大的外径 图1 电机的气隙为2 m m， 图2 电机的气隙为。 5 m m ,远大于一 般鼠笼电动机也 就 是说这种双凸结构的扇片 定子电机的定子 必须是混合式 或者采用永久磁铁， 或者采用直 流励磁，以便电机的气隙可以 做得足够大， 尽可 能给制造和维修提供一 些方便.反 应式步 进机要示有鼠 笼电机一样的气隙，用以 设计直接传动用电机不太合适 五、结论
13、 在运动控制中，齿轮是一个 薄弱环节， 特别是 传动比大于1 0 0 : 1 的多 级齿轮 传动， 不但结构复杂， 难f 制造和维修， 而且效率很低，消 耗大量的电能，所以人们很久就在呼 唤直接传动r 缺乏容量匹配的 低速电机是直接传动无 法使用的根 本原因。 扇片电机的出 现， 特别是 双凸结构的扇片 电机的出现，使得具有大直径转动部件的 低速生产机械， 例如搅拌机，有 了采用直接传动的有利条件 我们设 计的直接传动电机， 转子利用了 生产机械的大直径转动部件， 基本上 不需要使 用新的结构件，也可以说没有独立的电机转子，电 机转子 不消耗原材料、 愈大愈 好 直接传动电机消耗材 料的结构件
14、只有扇片 定子 . 扇片定子的体 积由直接传动要求的转 矩来确定， 当转矩恒定时，转子直径愈大 定子的体积将愈小.采用 2 . 1 m的转子 直径，定 子体积约为0 . 1 3 1 m ;采用0 . 1 1 4 m的转子直径，定子体积约为0 . 1 4 7 m 3 , 增加1 2 %. 但是 0 . 1 1 4 m的转子 直径要 求 1 1 . 3 m的铁芯长 度根本无法制造. 直 接传动用电机要求有较人的气隙长度，才能保证足够的机械强度， 便于制造和维 修， 并能降低双凸 结构电机的噪声和转矩脉动.开关磁阻电机要求较小的气隙，不 适于用 作直接传动;我 们研制的混合式步进机允 许采用较大的气
15、隙， 是一种比 较理想的 直接 传动 电机 直 接传动 要求机电一 体化， 电机要和生产机械统一设计， 这方面的经验有限， 有大量 的问题需要解决，路还很长 我们提出的直接传动方案是很有吸引力的， 它高节能， 安全可靠， 具有很好的 性能价 格比 只要生产机械的转动 部分具有足够人的直径, L 的优势就特别明显，一 旦 转化为 产 品，必然具有很强的市场竞争力，所以是很有发展前途的. 参考文献 1 . E .S p o o n e r , A . C . Wi l li a m s o n , a n d G . C a tt o , M o d u l a r d e s i g n o f p e r m a n e n t m a g n e t g e n e r a t o r s f o r w i n d t u r b i n e s . T E E P r o c一 E le c t r . P o w e r A p p l ， V o l . 1 4 3 , No . 5 , 1 9 9 6 , :3 8 8 - 3 9 5 . 2 . Y . L i a o , F . L i a n g , a n d T . A . L i p
