低速大扭矩直流永磁电机（低速大转矩永磁直驱电机在索道上的应用）

崔言亨

0 引言

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[1]，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，其概念图如图1 所示。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。

图1 直接驱动概念图

1 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[2]，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[3]。

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[4]。

2 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，为日常维护提供了方便，同时与直接驱动电机配套的变频器功率降低，电气控制柜尺寸减小，控制室更加宽敞。

3）控制精度提高

直接驱动消除了传统齿轮减速器的传动间隙，使系统的传动控制误差降低，从而降低了系统的结构谐振频率，被控量的误差得到有效控制，系统增益提高。

4）可靠性高，减少维护

由于省略了减速器，繁琐的减速器维护工作不复存在。紧急驱动通常由辅电机直接啮合在大轮上，确保在紧急情况下也能启动索道。同时，作为动力源的直接驱动电机通常为永磁同步电机，其维护工作量极低。

5）运转平稳，噪声低

采用直接驱动极大地降低了低速运行时的站内振动，因此站房内更加安静，与传统驱动模式相比，站房内噪声可降低15 dB 以上。由于变频器功率降低，电气柜所在的控制室也更加安静。

3 索道直驱的可行性分析

在工业自动化领域，经常存在需要低速大转矩电机作为动力源的场合，如高性能数控机床、挤塑机等。客运索道作为一种特种设备，依据《客运架空索道安全规范》，其运载速度有严格要求。客运索道驱动、迂回站之间存在一定高差，因此有空载、重上空下、重下空上、重上重下四种不同工况。索道的驱动系统必须满足不同工况下的速度及转矩要求，这就要求索道用直驱电机及其驱动器既能提供足够的输出转矩，又能在重下工况时将产生的负功率安全地返回电网。永磁同步电机在设计成多级结构时，能够实现低转速与大转矩的动力输出，这种类型电机在低速范围下具有很好的转矩输出特性，因此从理论上讲，低速大转矩永磁同步电机是索道实现直接驱动的首选核心部件。本文从永磁同步电机的结构出发，分析其作为索道直驱动力源的可行性、安全性与实用性。

索道用永磁同步电机的结构主要包括定子、转子、检测元件和冷却系统。

3.1 定子

永磁同步电机的定子主要包括定子绕组和定子铁心两部分。定子绕组按照一定排列方式固定在定子槽中，并将其从内部与电动机接线盒中的对应端子相连[5]。除导电材料外，需要用各种绝缘材料将线圈之间及其与铁心之间隔离开，同时起到初步固定线圈的作用。绕组中装有热传感器，避免电机过热，实物如图2 所示。该种类型电机定子块更换十分方便，极大降低了电机的维护量。当其中某一个或几个定子块发生损坏时，电机依然能够运行，只是运行速度达不到设计要求，但对于客运索道而言，此时能够在低速状态下将线路游客安全地送回站内，提供了除紧急驱动电机外的另一道安全屏障。目前，还有一种串联磁路双定子永磁同步电机已经在索道上应用，该种电机可以理解为两个电机的串联，两个电机分别与各自的驱动器相连，当其中一个电机发生损坏时，另一个电机依然可以带动索道运行。

图2 永磁同步电机

（a）定子图 （b）定子块

3.2 转子

永磁同步电机的转子由永磁体、转子铁心、转轴和轴承等组成[5]。根据永磁体在转子铁心中的位置可以将转子分为表面式和内置式两种，如图3 所示。根据磁路结构的不同，表面式转子又分为突出式和插入式两种。内置式转子按永磁体磁化方向与旋转方向的相互关系，可以分为径向式、切向式和混合式三种。转子由轴承支撑，轴承的温度通过温度传感器进行监控，轴承的维护工作量较低。

图3 永磁同步电机转子结构

1. 永磁体 2. 铁心 3. 转轴 4. 鼠笼条 5. 隔离磁桥

3.3 检测装置

为了提高永磁同步电机的运行稳定性，通常需要采用位置传感器检测电机的转子位置用以对电动机进行高性能的控制。这里的位置传感器通常是旋转编码器，从工作原理上可以分为磁性编码器与光学编码器，根据旋转编码输出信号的不同又可以分为绝对值编码器和增量式编码器[5]。

目前在永磁同步电机中应用较广的一种旋转编码器为旋转变压器，这是一种基于磁性原理的编码器，从本质上讲它是一种微电机。旋转变压器可以将机械转角转换成与其呈特定函数关系的电气变量输出。旋转变压器的输出绕组提供了经过转子位置调制后的两相高频交流电压信号，通过解码电路获取转子的绝对位置信息。索道用直驱电机通常采用两套独立的编码器对转速和位置进行测算，两套编码器分别将信号直接传递给索道的控制系统，这体现了安全领域的冗余设计思想。

3.4 冷却系统

索道是一种需要长时间连续运转的运载工具。电机在进行机电能量转换时不可避免地要产生各种损耗，如铁心损耗和机械损耗等，这些损耗最终都以热的形式散发到电机当中，造成电机的温升，因此有必要通过冷却系统对电机进行冷却以保证电机在正常温度范围内可靠运行。永磁电机的冷却有水冷和风冷两种方式，水冷从结构上可分为机壳水冷、端盖水冷和轴水冷三种方式。索道用直驱电机通常采用风冷方式，采用多个风扇的强制冷却系统如图4 所示。

图4 风冷系统示意图

4 索道直驱电机的控制

4.1 控制策略

目前，永磁同步电机的高性能控制方法有矢量控制技术（又称磁场定向控制技术）和直接转矩控制技术两种。矢量控制的基本原理为：通过坐标变换实现转矩电流和励磁电流的解耦，从而能像直流电机一样分别控制转矩电流和励磁电流，能够达到较好的静态刚度和动态响应性能。直接转矩控制技术是通过电压型逆变器输出的电压空间矢量对电动机定子磁场和电动机转矩进行直接控制[6]。目前市场上大多数永磁同步电机的驱动器均是基于矢量控制技术，该技术已经较为成熟，可满足索道用直驱电机的控制要求。

4.2 基于PLC 和变频器的控制系统简介

永磁同步电机直驱式索道可通过PLC 和变频器对电机转矩和转速进行精确控制，PLC 通过控制面板读入设定指令和相关参数，向变频器发出转速和转矩控制指令，当索道出现故障时，变频器和其他外围检测元件将故障信号送回PLC，PLC 处理故障信息并发出相应指令。其基本框图如图5 所示。

图5 基于PLC 和变频器的索道控制系统框图

5 结语

随着我国旅游与滑雪产业的迅速发展，国内市场对于客运索道的需求量越来越大。本文从多方面总结了直接驱动相对于传统驱动模式的优点，并对实现直接驱动的核心部件—低速大转矩永磁同步电机的结构及其控制进行了详细介绍。目前国内已有四条直接驱动式索道建成并投入使用，随着我国索道产业的发展，直接驱动技术在索道上的应用也会越来越广泛。

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