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机械装备直驱低压大功率永磁电机关键技术及应用

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大功率交流电机主要用在大型机械装备直驱场合,特点是不需要齿轮机构等中间传递环节就能实现机-电之间的能量直接转换,其一般采用1KV以上的电压等级,使电机的设计、制造和控制的成本增加,加之对应的高压变频器存在价格高、性能不稳、可靠性差等原因,该项技术实际应用中存在许多不足。另外,电机的有效体积与其转矩成正比,传统大功率交流电机庞大的体积也给其带来了加工制造难、运输和装配难、维护不便以及可靠性和容错性差等不足。针对上述问题,提出了一种低压大功率多支路永磁电机,并对其关键技术进行了深入研究,取得了具有理论与工程价值的成果: 一、对低压大功率多支路永磁电机的原理和数学模型开展了深入的研究。推导了多支路永磁电机的电压方程、电磁转矩方程,对电感矩阵进行了分析;将低压大功率永磁电机设计成多支路并联形式,各支路拆分成独立的三相对称系统,分别由通用低压变频器供电,解决了传统大功率交流电机变频调速系统的电压等级和电流等级问题。 二、对低压大功率多支路永磁电机的最优冗余功率控制技术进行了研究。将电机绕组每条支路分别引出至控制中心,控制系统可以根据实时检测到的机械负载大小,自动确定投入运行支路的数量,提高了运行绕组的负载率,实现了系统投入电功率与负载机械功率的最佳匹配,使系统始终运行于效率最高状态;并且冗余绕组可作为系统备用容量存在,提高了系统运行的可靠性。解决了传统大功率交流电机三相三线引出线方式导致的电机轻载时力能指标降低的问题。 三、低压大功率多支路永磁电机定子模块化制作技术研究。将传统大功率交流电机的定子拆分为若干个扇形模块,三相对称绕组在单个定子扇形模块内完成独立嵌放,提高了电机加工制作的灵活性和工作效率,并且定子模块尺寸减小,便于制造和运输。解决了传统大功率交流电机中存在的加工制造难、运输和装配难等问题。 四、机械装备直驱技术研究。将低压大功率永磁电机直接驱动技术取代传统的异步电机加减速机的驱动模式,简化了传动链,降低了能量损耗,提高了系统整体的传动效率,解决了传统驱动系统中存在的运转噪声大、可靠性差、体积大、效率低等问题。 五、在本项目研究期间,已获得授权国家发明专利10项,发表论文17篇,其中被EI检索10篇。 六、成果已应用于绞车、矿井提升机、石油钻机、皮带传输机、压裂车、泥浆泵、球磨机等多种大型机械装备直驱场合,取得了显著效益,具有广阔的应用前景。