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收稿日期:2006-09-15改稿日期:2006-11-20
基金项目：华中科技大学校基金资助
低速大力矩直接驱动电动机研究与应用进展gps信号转发器
王延觉，杨 凯
(华中科技大学，湖北武汉430074)
摘 要：阐述了低速大力矩直接驱动电动机的技术优势。系统介绍了当前研究领域中典型的低速大力矩直接驱动电动机的运行原理、使用优点、应用场合、研究热点和关键技术。最后总结了低速大力矩电机的发展趋势。 关键词：低速大力矩；直接驱动电动机；应用；新进展
中图分类号:T M 33;T M 34;T M 38 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2007)05-0046-04
New Progress on the Research and Appli ca ti on of L ow Speed H i gh Torque D i rect D r i ve M otors
WAN G Yan -jue,YAN G Kai
(Huazhong University of Science and Technol ogy,W uhan 430074,China )
Abstract:Firstly,the advantages of l ow s peed high t orque mot or were intr oduced .Then the operating p rinci p les,using advantages,app licati on fields and key technol ogies were p resented in details .Finally,the trends of l ow s peed high t orque mo 2t ors were given .
Key words:l ow s peed high t orque;direct drive mot ors;app licati ons;ne w p r ogress
1引 言
低速大力矩直接驱动电动机不仅淘汰了笨重的
污水池覆盖减速机，避免了减速结构带来的结构复杂、转动惯量大、效率降低、噪声增加、润滑油泄漏、传动间隙、磨损、维护频繁等各种不利影响，而且减少了因传动机构所造成的功率损失，提高了设备的安装精度和传动效率，使用维修更简便，振动小、噪声低、不漏油、寿命长，是传统电机与减速机的理想替代产品。
近几年来，随着永磁材料、电机设计、控制理论、电力电子、传感技术、机械制造等多学科的不断发展，以及受环境和能源问题的影响，国民经济各部门对低速大力矩直接驱动电动机的需求与日剧增，特别是电动交通工具、数控机床与自动化装备等领域，显得尤为突出。因此，研究和开发新型低速大力矩直接驱动电动机已成为当前的电机研究领域的迫切任务。 2低速大力矩直接驱动电动机的技术优势
与传统驱动电机相比，低速大力矩电机具有以
下技术优势[1]
:
(1)力矩-重量比，可以直接驱动机构设备。(2)转速低，运转平稳，噪声小。减速齿轮啮合的机械噪声不复存在，高速转动部件旋转动不平衡
带来的振动、噪声大为降低。
(3)结构紧凑，体积小、重量轻。普通电机一般要经2～3级圆柱齿轮减速机减速才能达到低转速，机构庞大笨重。低速大力矩新型电机体积和重量通常不到同类型电机与减速机之和的一半，拆装维修更方便。
面包炉
(4)可靠性高。一方面，润滑油泄漏问题不复存在，设备对安装、调试、维护的要求也大为降低；另一方面，由于高速转动和振动导致的磨损、机件松动、变形、疲劳失效等故障大为降低。
(5)高效节能。一方面，直接驱动简化了传动链，减少了能量损耗，综合效率远高于传统的普通电机加配减速机的综合效率；另一方面，低速大力矩电机多为永磁电机，因而具备效率高、功率因数高等永磁电机的独特优点。
(6)控制精度高。减速机构的传动齿隙加大了传动控制误差，降低了系统的结构谐振频率。由于间隙的存在，控制系统的响应频带严重受限，不稳定区频率降低，运动控制易出现振荡乃至失效。采用低速大力矩新型电机后，系统增益可以进一步提高，控制对象的动态、静态误差都得到有效控制。
3低速大力矩直接驱动电动机的研究热点
低速大力矩直接驱动电动机种类很多，其工作原理、结构特点、应用场合各有不同。目前，研究较多的主要有:
3.1永磁无刷电动机
低速大力矩直驱式永磁无刷电动机已经被广泛
低
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地应用到各个领域:
家用电器产品。以永磁无刷电动机替代单相交流异步电动机，能够实现空调器、冰箱、洗衣机等家用电器的直驱变频调速，使其转速随工况自动调节，提高了节能、电磁兼容性能，并且降低了噪声。如：采用直驱式永磁无刷电动机的洗衣机效率可提高近30%，同样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%，效果显著。
电动交通工具。在直驱式电动汽车系统中，永磁同步电动机系统以其高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点受到国外电动汽车界的高度重视，尤其在日本得到了极为广泛的应用。
工业自动化设备领域。低速大力矩永磁无刷电动机可以省去机械设备中的传动机构，简化结构，满足高效率、高精度、高性能的要求，在数控机床、组合机床、自动纺织、印刷、包装、冶金、邮政机械、自动化生产流水线和各种专用设备方面都有广泛应用。如各种机床的回转轴、摆动轴，平网印花
机导带定位控制，注塑机和精密挤出机挤出螺杆驱动，搅拌机、球磨机、破碎机等等。
在欧美、日本等发达国家，永磁无刷电动机的生产手段和控制技术已趋成熟。国内差距较大，当前的研究热点主要有:
无位置传感器控制技术[2]
。传统无刷直流电动机都需要一套位置传感器来确定转子位置，这一方面增加了成本，另一方面可靠性与灵敏度易受环境的限制。所以，无位置传感器的位置信号检测技术是发展的必然趋势。目前常用检测方法有反电动势法、续流二极管法、电感法、状态观测器法等。总的来说，国内无位置永磁无刷电动机驱动系统的研究还处于试验和探索，距实用存有距离。
转矩脉动的抑制[3]
。转矩脉动包括由定子电流和转子磁场相互作用产生的脉动；换相时由电机绕组电感阻碍电流瞬时变化而引起的脉动以及由永磁体磁场和定子铁心齿槽作用产生的转矩。
电机本体设计。本体设计主要集中在定子绕组设计[4]
、定子裂比、齿槽数的优化[5]
以及磁钢尺寸的优化等方面。
永磁材料的研究和保护。目前，国产钕铁硼最大剩磁1.42T，最大矫顽力2388k A /m ，最大磁能
积400kJ /m 3
，其特性决定了电机功率，目前单机容量仅几十千瓦，因此，如何突破功率限制成为永磁材料研究领域的重要课题。同时，永磁体在高温、振动以及过流时，都可能出现退磁现象，因而须对电流和温度加以严格控制。
3.2横向磁场电机
采集重构横向磁场电机[6]
从结构上实现了电路和磁路解耦，具有转矩密度高、结构简单、效率高等显著优点。按磁路特点，该电机拓扑形式大体上可分为平板式、聚磁式、无源转子与磁阻式四种。主要用于舰船推进、电动汽车、火车电力牵引、磁悬浮、直接驱动式风力发电和海浪发电等领域。
1988年H.W eh 教授率先完成了首台45k W 横向磁场电机样机，之后又设计了一台7.2MW 的护
卫舰巡航驱动用横向磁场电机[7]
。日本东京科技大学在绕组中加入三次谐波电流后，在保持最大电流不变前提下，相比于正弦电流驱动能使电机出力提高了33%～37%。而韩国电工技术研究中心和
韩国Silla 大学利用永磁体等效实现磁场屏蔽[8]
，改善电机磁场分布，提高电机性能。英国Rolls -Royce 国际研发中心于1997年便开始了对电力推
进船用横向磁场电机的研究[9]
动员剂，并在1998年制造了3.0MW 的样机，目前正研制16相20MW 横向磁场
永磁电机。美国通用汽车A llsi on 传动部率先用复合软磁材料(S MC )制作了成形定子的横向磁场电机[10]
。悉尼工业大学的朱建国等人则对S MC 的电
磁特性进行了深入研究[11]
，并制作了功率1.35k W 、转速1800r/m in 、20极的样机。
相比之下，国内研究还属于理论研究和样机试制阶段。如上海大学自动化学院设计了E 型铁心
聚磁式横向磁场电机[12]
，制作了一台20极、额定转速300r/m in 、额定电流10A 的样机。沈阳工业大学制作了一台5k W 卷绕式定子单边聚磁式横向磁场电机。天津大学制作了一台40极、5k W 的样机。中船重工集团公司712所则集中于横向磁场电机在舰船推进系统上的应用。
当前，横向磁场电机研究与应用中还存在结构和工艺复杂、漏磁严重、功率因数低以及自定位转矩脉动等不足，相关研究工作均致力于解决这些问题。3.3直线电机
直线电机具有一系列优点：不存在中间环节，可高速进行高精度跟踪与定位；不会受到离心力作用，因而速度理论上可不受限制；进给行程长度不受限制；结构简单，噪声低。这一电机的不足之处表现为效率和功率因数较低以及端部效应明显。
国外直线电机发展已进入商品化阶段[14]
，应用领域包括物流输送系统、工业设备、信息与自动化装
备、交通工具、军事及其他方面。知名供应商主要有：德国Sie mens 公司,I ndra mat 公司；日本F ANUC，三菱公司；美国Anorad，科尔摩根公司；瑞士ETE L
公司等。国内直线电机的研究和应用发展起步较
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晚，自20世纪70年代初开始，已有中科院电工所、清华大学、西安交通大学、沈阳工业大学等高校与研
究所开展相关研究，水平和产品性能都与国外相差较远，研究热点集中在结构设计、运行理论、控制技术以及防尘、防磁等方面。3.4超声波电动机
超声波电动机利用压电陶瓷材料PZT 或高分子P VDF 薄膜材料的逆压电效应，通过转换压电振子的超声振动形成驱动能力，实现超声波振动能转换成机械能。与电磁型电机相比，具有结构紧凑简单、能量密度大、易调速、精度高、断电自锁、噪声小
以及抗电磁干扰能力强等优点[15]
。
最早将超声波电动机产业化的是日本，应用范围包括照相机聚焦系统、楼宇窗帘自动开闭、摄像机镜头架圆周扫描、机器人关节、音响音像影像设备等。此外，美国麻省理工学院开发了具有双面齿的行波型超声波电动机。加州伯克利分校的Anita Flynn 在PZT 上沉积薄膜，研制出直径仅2mm 、转
速为100～300r/m in 的电机。宾州州立大学的国际换能器和驱动器研究中心正在从事微卫星用微型
压电电机的研制工作[19]
。国内相关研究自20世纪80年代末开始，清华大学、天津大学等单位的压电直线蠕动式US M ，东南大学、浙江大学等单位的环形行波型US M ，哈尔滨工业大学、南京航空航天大学等单位的圆板型US M ，华中科技大学、哈工大等单位的直线型US M 以及长春光机所、上海冶金研究所等单位的压电微型US M ，基本上反映了国内现有研究水平[16]
。
相比国外特别是日本，国内的超声波电动机应用领域和范围还有待进一步拓展。超声波电动机制造技术涉及运动学、材料学、动力学、电路控制等多学科交叉，立足于应用还存在诸多问题。当前的研
究热点有：超声电机理论研究的深入，精确模型的构建；解决定、转子摩擦导致接触面严重磨损的问题，延长使用寿命；提高输出功率(目前实用约为10W 左右)；提高电机的可靠性和对各种环境(如高温、低温、真空等)的适应性；不断改善电机的动态性能。
3.5形状记忆合金电机
[17]
形状记忆合金电机利用形状记忆合金(S MA )材料的形状记忆效应(S ME )，辅以一定偏动装置(弹簧或弹性体)，通过特定控制手段，构成双程可逆致动元件，实现机电能量的转换。其结构、原理和运行控制方式均与传统电机不同。与其他的电机相比,S MA 电机具有高功率重量比、结构简单，易于控制、动作柔顺性好、不受温度以外环境影响以及无噪
声无污染等优点。在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方
面得到了应用，当前的研究热点有:
S MA 材料开发。N i -Ti 合金性能优良，但成本较高，不利于批量生产。Cu 基S MA 价格较低，开展Cu 基S MA 疲劳强度、延性指标及记忆稳定性研究，对拓宽S MA 电机应用范围影响深远。S MA 材型包
括丝(直径可小于0.001″)、带(厚度可小于
01001″)、管(外径范围0.008″～0.125″)、薄膜(厚
度可小于0.0007″，宽度可达3.5″～4″
)
等。其中薄膜有较大的比表面和较高的电阻率，响应速度快。当前，国内外正积极开展S MA 薄膜电机-传感器一体化研究。
内嵌式S MA 电机研究。内嵌式S MA 电机的主要思路是：用硅橡胶取代偏置弹簧，在硅橡胶制成的弹性棒内嵌入N i -Ti S MA 线材，使棒体在通电时产生的弹性变形在断电后自行恢复，由此构成最简洁的双程单元电机。S MA 平行棒体轴线嵌入可产生U 型弯曲，斜交于轴线嵌入可产生S 型扭曲，两根S MA 丝对称于棒体轴线镜向嵌入可产生二维或三维弯曲。无疑，内嵌式S MA 电机是诸如机器人关节、手爪及人工肌肉等一类有任意维仿生柔性运动驱动控制需求的理想致动器。
提高S MA 电机的反应速度。加热响应方面，采用温度传感器后，在丝温低于其相变温度时，对加热电压没有限制，可在很短时间内使丝温迅速达到相变温度以上。冷却响应方面，可采用散热器或改进电机结构，在提高响应速度的同时提高换能效率。
4低速大力矩直接驱动电动机的发展趋势
近年来，科技的发展对驱动电机的要求越来越高。新技术、新材料、新工艺的不断出现，大大推动了低速大力矩直接驱动电动机的研究与应用，归纳起来，这类电机的发展趋势主要体现为:4.1无刷化
由滑环和碳刷组成的机械换向器一直是电机的隐患，它使得电机噪声变大、可靠性下降，寿命缩短，
电磁兼容性变差。随着电力电子和控制技术的不断发展，用电力电子换向电路来替代机械换向器是技术进步的必然趋势。无刷电动机经过几十年的研制开发，已取得显著成果并已进入商品化生产。4.2永磁化
随着电机逐步走向无刷化、电子化，永磁材料在控制电机中的普遍应用已是必然趋势。高性能永磁材料的使用还能减小电机体积，减轻重量，提高效率，降低制造成本等等。我国稀土资源丰富，稀土永
低
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磁的产量和性能都已处于国际先进水平，为永磁电机的发展提供了良好的条件。4.3低振动、高效率、低噪声
作为驱动电机，特别是低速大力矩直接驱动电动机，为了在各自应用场合有良好表现，对电机性能有严格要求。低振动使得电机运行平稳，从而保证系统的精度，其关键是抑制电机输出转矩的脉动。高效率是为了节能和降低运行成本，在当下能源不断紧缺时，显得格外重要。而在很多应用场合对电机的噪声有很高的要求，如宾馆、会议室等等。4.4数字化、智能化
数字化是指在其控制单元中采用数字控制芯片，并综合现代控制理论、电力电子技术、微电子技术，从而实现对电机的控制。目前，电动机控制的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器、FP 2G A /CP LD 、通用计算机、DSP 等现代数字处理芯片的数字控制系统得到了快速发展。随着数字芯片运算速度不断提高、外设功能不断增强、控制理论不断进步，电机控制系统正朝着高精度、高性能、信息化、网络化、智能化方向发展。4.5一体化(模块化)
一体化是指多台电机组合、电机和传感器的组合、电机和其他机械组合、电机和控制器组合，直至将电机、控制器和传感器等构成一体，形成一套电动控制系统，从而明显提高系统的精度和可靠性。
随着新原理、新结构、新材料、新器件、新理论、新工艺以及新设计手段的不断涌现，出现了许多新型的低速大力矩直接驱动电动机，如SR 电机、静电电机、光热电机、热磁电机、微波电机、片状电机、磁滞伸缩电机和磁流体电机等。这类电机在经济建设中扮演着越来越重要的角。
5结 语
近几年，国民经济各部门对低速大力矩直接驱
动电动机的需求与日剧增，市场前景十分诱人。国内众多高校、科研院所以及企业都不断加大研发力度，取得较大进展，但与国外相比，差距依然明显。立足于实用，还有较多亟待解决的理论实际问题
与关键技术。对此，我们只有加强研究与合作，充分发挥创新能力，缩小与国外的差距，才能在这一领域的国际竞争中占有一席之地。参考文献
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作者简介：王延觉(1957-)，教授。
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