1．概述


所谓直驱就是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。由于取消了传统系统中的许多中间环节，如皮带或链条或钢丝绳和齿轮箱等部件，结构大大简化，从而使整个系统具有高效低耗、高速高精度、高可靠免维护、高刚度快响应、无需润滑、运行安静等优点。


直驱技术被国外工业界称之为现代驱动技术中的先进方法和技术，被越来越多地应用到各行业中。作为直驱技术最主要和关键的部分即为直驱式旋转电机（DDR）和直驱式直线电机（DDL），它不是简单的将旋转电机或直线电机搬到系统中去，而是要将这两种电机根据不同的系统和工况进行系统的创新设计。


本文技术正是完成了创新设计的（DDR）和（DDL），实现了直驱，取得了明显的高效节能效果。本文就该技术所完成的一系列成果中的1例DDR（DDR1）和2例DDL（DDL1、DDL2）作一介绍。


直驱式旋转电机（DDR1）的基本原理与结构


直驱式旋转电机（DDR1）的基本原理与结构是采用永磁的方式，并设计了专门的盘面电机，同时 充分利用了外转子式结构两端面的空间，将两个盘面电机的定子与外转子式结构的定子固定在一起，两个盘面电机的转子盘与外转子式结构的转子筒构成一个三维封闭的外转子。在同样的空间体积下，这种复式结构较单个外转子式结构和单个盘形结构的电机能产生更大的电磁转矩。




从图1可见，直驱复式三维永磁电机由三组相对独立的定、转子组复合而成，可以视为一个圆筒形的外转子式永磁电机与两个圆盘形的轴向磁通永磁电机合成的结构。但三者之间不是完全独立的，它们是相互影响、相互作用的统一体。要使直驱复式三维永磁电机能转动并输出转矩，必须使三个定转子组形成的三个电磁系统协调一致。根据直接驱动抽油机的结构条件, 复合式三维永磁电机必须满足低速大力矩的驱动要求。在复合式三维永磁电机的研发中，我们解决了以下几个关键技术问题即：


①双盘面电机与外转子电机的结构设计问题
②复合永磁同步电机的起动、正、反转的稳定运行问题
③复合式三维永磁电机的全新计算方法和设计程序 该电机的创新在于：


研发了全新的复式电机结构形式，使电机的功率密度达到最大化 全新的电磁场分布形式，使电机的机电能量变换达到最佳化


直驱式直线电机（DDL1、DDL2）的基本原理与结构


直驱式直线电机DDL1主要是为悬挂输送系统开发的，这种电机在系统中必须满足以下条件：


1）扁平型结构，限定体积
2）单向运行，频繁起动，运行时间秒级；
3）起动电流要小于同容量电机，冲击小、响应快；
4）结构简单成本低、重量轻；


单相直线感应电机具有多种不同结构，适用于不同场合。若要满足以上条件，需要采用结构最简单的2 极电容运行电机，其主副相线圈都只有一个，由于系统运行速度不快，因此电机极距较小，限制了槽宽的大小，为了放置线圈初级铁芯需大大增加槽高，槽高/槽宽比普通电机大,称之为深槽结构。通过特深槽结构亦可提高启动力矩。本项目电机主要解决了以下几个问题：


1）采用深槽式结构与分层绕组加大启动力矩
2）运用场路结合方法完成电机设计与全面优化，达到单位体积推力最大化。
3）电机整体塑封，整体性强，绝缘性好。 直驱式直线电机（DDL1结构见图2




直驱式直线电机DDL2主要是为食品切片机与电梯门机开发的，这些系统的直驱式直线电机要具备调速范围宽、推力密度大、推力稳定响应快等特点，而现有直线电机往往会遇到体积过大、推力不足、推力波动大、响应慢、温升过高等问题，这些问题对直驱式直线电机的设计提出了更高的要求。本直驱式直线电机DDL2由基本的动子（初级）和定子（次级）两部分结构组成。定子部分主要由永磁体、导磁体和不锈钢套管构成，永磁体采用轴向充磁方式。动子部分由三相电枢绕组、绕组骨架以及机壳构成。绕组采用空心饼式线圈形式，它直接绕制在骨架槽内，槽满率高，无端部，铜材利用率高，铜耗小，电机节能效果更好。圆筒型永磁直线同步电机拓扑结构如图3所示。




该电机通过无槽空心式线圈结构、永磁体的合理排列以及整体优化设计使该电机具有以下特点：


1) 结构简单，制造方便，可靠性高，易维护，节省材料，成本低。
2) 电机速度可调，调速范围宽，可控性好。
3) 输出推力平稳，推力与交轴电流成正比，线性度高，可控性好。
4) 动子惯量小，动态响应快。
5) 不产生径向推力，运行摩擦力小，系统效率高。
6) 电机外壳集成散热片，在正常运行环境与运行状态下，可以实现自然冷却。
7) 集成位置检测器，用户使用更加方便，成本大大降低。

2．实施与应用效果


DDR1的实施与应用效果


目前油田中所使用的抽油机绝大部分是传统的游梁式抽油机（俗称“磕头机”， 图4）。这种抽油机由普通旋转电机（异步电动机或同步电动机）驱动，经多级减速箱并经连杆和游梁作每分钟6－10次的往复运动。由于传统的游梁式抽油机机械结构复杂，电机驱动需经多级减速箱和连杆机构输出，使得抽油机的效率很低，一般系统整体效率只有30%－40%左右。传统的游梁式抽油机，能耗大、难维修，已经不能很好适应油井需要。全国油田，传统抽油机一年的耗电费用就是几百亿KW.h。因此研制开发高效节能的新型油田抽油机对于节能降耗具有非常重要的意义。




为从根本上解决抽油机系统效率低下的问题，需开发一种新型高效节能电机，使电机可以在低速情况下输出大扭矩直接驱动抽油泵进行工作，从而实现电动机对抽油泵的直接驱动模式（直驱式抽油机系统）。如果采用了直接驱动结构方式，可取消传统抽油机的多级中间传动机构，不仅可省去庞大的游梁、驴头和复杂齿轮减速箱，使得结构大为简化，体积大大减小，特别是整机效率可大大提高。达到有效节能的目的。


直驱式抽油机系统的主要核心是低速大力矩电机的研制开发。目前国内外低速大力矩电机均采用永磁同步电机结构。永磁电机与传统的电励磁同步电机相比，省去了电励磁绕组，实现了无刷化，具有结构简单、运行可靠；体积小、重量轻；损耗少、效率高。但目前一些低速大力矩电机仅满足了部分使用场合的要求，在大多数使用场合下，电机速度仍需通过减速箱降到所需速度输出，电机有效面积不能充分利用，满足不了用户低速大力矩的要求。直驱复合式三维永磁电机完全改变了现有传统电机的结构，充分利用了电机的三维空间，具有高功率密度的输出特性，更符合电机机电能量变换的要求和低速大力矩驱动要求，可以在低速情况下直接驱动负载。满足了用户低速大力矩的要求。


整机效率大大提高直驱复式三维永磁电机抽油机已在中原油田、大港油田、大庆油田、华北油田等几十口井上得到了应用，并通过了投产试验，抽油机性能测试由中原油田分公司技术检测中心、大港油田集团检测评价中心、中国石油天然气集团公司油田节能监测中心、国家油气田井口设备质量监督检验中心等通过对油田油井上使用的原游梁式抽油机和新型复式三维永磁电机抽油机的对比检测，有功节电均达50%以上，无功节电可高达90%以上。 直驱复式三维永磁电机驱动的抽油机除节电显著以外，还使抽油机重量和占地面积减少50%以上，产量提高50%以上。用电设备容量减少50%以上，噪音减少30分贝。表1为中原油田复式永磁电机抽油机与游梁式抽油机在H2-40井上的耗电量对比。




该电机如进一步应用于现有抽油机的改造以及展开应用于化工、医药、食品以及机械等行业。其效益将会更大。


DDL的实施与应用效果


1）（DDL1）的实施与应用效果


邮政输送用邮政推挂系统，通常采用旋转电机加链轮、皮带等中间转换机构来实现，系统结构复杂，噪音大，效率低。整个推挂线由一个功率较大的电机拖动，动力集中，运行时不管负载多少整个物流线都一起拖动，因此在轻载时系统效率很低。在组线灵活性方面如增加或减少输送线的长度也存在欠缺，其运行效率已远不能满足现代输送要求，噪音也大大超标。要解决这个问题，必须去掉链轮、皮带等中间传动环节，提高系统效率节约能量，最好的办法就是采用直线直驱技术。


采用大量的小功率直线电机来驱动负载，采用分段通电，动力分散安排，实现负载到哪电通到哪的方法。从而达到高效节能的目的。广州邮件处理中心花巨资从瑞士GILGEN 公司购买了直驱式邮政悬挂输送系统（如图5所示）该系统主要部件是直驱直线电机单元，一个基本单元是一个直线电机加一个智能控制卡构成，结构统一，维修简单。沿线1897 个单元将悬挂于路轨上的小车向前推进，使小车携带包裹到达其目的地。在该项技术中，直驱直线电机是整个悬挂输送系统的关键部分，其数目众多，性能与成本是悬挂输送系统开发的重要影响因素。




目前从国外引进的这种悬挂输送系统，价格昂贵，我国不可能大量地引进此种设备，自主研究开发这种悬挂输送系统非常必要，因此首先需要攻克悬挂输送系统的关键部分-直驱直线电机，为我国自主研发悬挂输送系统提供重要的基础，也可以大大降低现有国外引进悬挂输送系统的维修成本。


本项目所开发的电机的性能已达到、部分指标超过了国外同类产品。如表2




随着国内邮政输送要求的提高，直线电机直驱的邮政悬挂输送系统将有很好的应用前景。如果国内自主开发直驱式邮政悬挂输送系统，将大大降低系统成本，提高产品的竞争力。每条输送系统需要几千个这样的电机，其价格与性能对输送系统的性能至关重要，因此可以说输送系统研究的关键技术之一就是深槽单相直线感应电机的研制。 本电机主要针对邮政输送系统开发，但该输送系统可以推广至机械、食品、医药、民用等行业，具有广阔的应用前景。若以一年生产20 条输送系统，即使价格仅为国外的一半其产值也可达2亿元以上，且其节电按每天8小时80KW.h，则年生产20 条输送系统的节电可达50万KW.h。


2）（DDL2）的实施与应用效果


传统的食品切片机和电梯门机设备，其驱动电机均采用旋转电机，通过变速箱、皮带轮组、连杆等转换机构，将电机的旋转运动转换为负载的直线运动。传统结构的食品切片机和电梯门机具有结构复杂、造价高、故障率高、维护成本高、系统效率低、响应慢、噪音大、有油污等缺点。为克服原有设备的缺点，我们采用圆筒型永磁直线同步电机作为驱动电机，取消了转换机构，电机与负载之间刚性连接，这种直驱式食品切片机和电梯门机整体结构大大简化，性能显著提高。图5为直线电机作为直驱的电梯门机。


目前国内自行设计制造的食品切片机与电梯门机所用直驱式圆筒型永磁直线电机的产品几乎没有，国外生产同类产品的公司主要有Copley 公司。表3则对国产电机与Copley 电机的性能进行了比较。




通过比较，国产电机的推力常数和反电势常数都要高于Copley 公司的产品。相应地，在相同工况下，国产电机的电流要小于Copley 电机，功率和效率也均高于Copley 电机。尤其是在工况3 下，Copley 电机的电流超过其额定电流，导致温升过高，只能持续运行2 小时，而浙大电机电流较小，仍然可以无限制持续运行。


与国外电机相比，国产电机性能更好，且价格仅为国外产品的1/4 左右，无疑国产电机将具有更强的市场竞争力。食品切片机已由美国ITW 公司于2008 年批量生产。