低速大转矩永磁直驱电机研究综述与展望

来源 | 电工技术学报

转矩密度是衡量低速大转矩直驱电机的关键指标之一，本文主要从结构特点、应用现状和科研进展等方面，介绍了真分数槽集中绕组永磁电机、永磁游标电机、永磁盘式电机、横向磁通电机和双定子/双转子电机等几类高转矩密度低速大转矩永磁直驱电机。概述了转矩脉动、气隙偏心故障、机械强度和温度场研究等的必要性和方法。基于研究现状展望未来发展方向，为实现高性能低速大转矩永磁直驱电机提供参考

低速大转矩直驱电机没有严格的定义，一般是指转速低于500r/min、转矩大于500N·m，用于直接驱动的电机，当转速低于50r/min为超低速电机。低速大转矩传动系统在工业生产、油田开采、风力发电、港口起重和船只推进等领域有极其广泛的应用前景。

传统的感应电机加机械减速机构的驱动系统，存在结构复杂、减速机构易磨损、润滑油渗漏、运行可靠性差、维护成本高以及系统整体效率低等缺点，不符合经济发展节能环保的要求，采用直驱电机替代传统的驱动系统成为国内外学者的共识。

感应电机低额定转速设计时极数较多，励磁电流增加使功率因数和效率严重降低，因此感应电机不适用于低速大转矩直驱。永磁电机的气隙磁场由永磁体激励，不存在励磁电流，电机极对数可以设计得很高。永磁电机电枢电流中的无功分量很小，定子铜耗减少，相比于感应电机，永磁电机的功率因数和效率更高。另外，永磁电机在很宽的负载变化范围内能保持良好的性能，因此在低速大转矩传动系统中受到广泛的关注。

低速大转矩永磁同步电机的体积较大，加工、运输和安装困难，严重制约其推广应用和超低速化发展。本文首先分析低速大转矩直驱电机实现的难点，指出转矩密度比功率密度更适合作为其主要性能指标。而后，对低速大转矩直驱电机分类，包括真分数槽集中绕组永磁电机、永磁游标电机、永磁盘式电机、横向磁通电机和双定子/双转子电机，系统地介绍了各类电机的结构特点、实际应用和发展趋势。

此外概述了低速大转矩永磁直驱电机的转矩脉动、气隙偏心故障、机械强度和温度场的相关研究及分析方法。最后对低速大转矩永磁直驱电机的未来发展作出展望，提出基于双定子结构，拓扑结构和设计理论的优化，能够兼顾转矩密度和其他主要性能指标的要求。

展望与总结

本文简要地概述了低速大转矩永磁直驱电机的研究现状，针对当前存在的问题和不足，对未来的研究方向作出以下展望：

1）目前，超低速直驱电机的相关研究较少。对于需要超低速大转矩传动的系统，由于电机转矩密度和功率因数等因素的限制，通常采用低速电机与一级减速机构配合，未能充分发挥直驱电机的优势。实现超低速直驱具有迫切的市场需求和广阔的发展前景，探究新型拓扑结构和设计理论，以兼顾转矩密度和其他性能指标的要求，是低速大转矩永磁直驱电机的发展方向。

2）低速大转矩永磁直驱电机在风力发电、新能源汽车等领域得到较为成功的应用，但工矿用低速大转矩永磁直驱电机的相关研究偏少。低速大转矩电机通常采用真分数槽集中绕组，最大输出功率减小导致过载能力不足，不能满足球磨机、抽油机驱动对高起动转矩、高过载能力的要求。探究极槽数配合、绕组形式与电机最大输出功率间对应关系，研发高性能工矿用低速大转矩直驱电机，以顺应国家推进工业节能减排的大潮流。

3）低速大转矩永磁直驱电机采用多极数与低频设计时，定子槽数较多，气隙磁场分布情况复杂、谐波含量丰富。采用常规方法准确计算电机的齿槽转矩耗时较多，可以构建新型模型改进算法。另外，针对低速大转矩永磁直驱电机减小转矩脉动的特殊方法研究较少，可以在高极槽数的优化组合方面考虑。

4）低速大转矩直驱电机，减小定子轭部厚度可以增大定子槽面积放置更多导线，提高电机效率和过载能力。低速大转矩永磁直驱电机的输出转矩大，对电机机械结构强度的要求高于普通电机。轭部厚度等电机参数的选取需要同时考虑电机性能和机械强度要求，还要避免气隙偏心等故障。

5）电机转子开辅助槽（通风孔、散热道），可能对电机磁路产生影响，磁路不对称产生额外的磁阻转矩有助于转矩密度进一步提高。辅助槽对机械结构的影响也应当被考虑。因此，辅助槽是低速大转矩永磁直驱电机的重要参数，有待系统且深入地探究。

各类低速大转矩永磁直驱电机都存在固有不足，高过载能力、超低速的直驱电机尚未得到普遍应用。双定子结构易与不同类电机结合，发挥各自优势，同时能够充分利用电机内部空间，提高转矩密度和最大输出功率。优化双定子电机的拓扑结构和设计理论，是有望实现高性能低速大转矩永磁直驱电机的一种思路。

本文针对提高转矩密度、降低转矩脉动、气隙偏心分析、机械强度校核和温度场分析等关键问题，对低速大转矩永磁直驱电机的研究现状进行综述，在此基础上展望其未来研究发展的方向。目的是借他山之石激发创新思维，推动低速大转矩永磁直驱电机的相关研究进一步发展，促进其得到更广泛的应用。