电机,被誉为工业生产的“心脏”,是一种基于电磁感应定律实现电能与机械能相互转化的关键装置,大范围的应用于各种机械设备中作为动力源。目前传统电机市场已成熟,发达国家凭借技术和市场优势在全球市场中占据主导地位。

  在现代工业应用中,电机常常要配备齿轮箱等中间环节以实现与负载间的转速和转矩匹配。然而,这些机械齿轮结构会带来额外的损耗、振动和噪声等问题。在不规则负载或过载条件下,这样一些问题还会造成不可逆的损坏,以此来降低系统的整体效率和可靠性。因此,逐渐去除齿轮箱并采用电机直接驱动负载的直驱技术成为未来的发展的新趋势。这种技术能减少中间环节带来的能量损失和机械故障,提高系统的整体效率和可靠性。随技术的慢慢的提升和市场的不断需求,直驱技术将在电机驱动领域发挥逐渐重要的作用。

  直驱电机在市场应用中也面临一些挑战。根据经典电机设计理论,当电机的功率和转速在一些范围内时,电机的输出转矩与其体积大致成正比。为满足低速大转矩直驱电机的运行需求,要增加电机的极对数,但这会导致电机槽数、绕组极数和永磁体极数过多,进而造成电机体积变大、成本增高,从而限制了直驱电机的应用范围。

  然而,同轴式磁性齿轮的提出为低速大转矩永磁电机的设计开辟了提供了新的思路。通过运用磁性齿轮的“磁场调制原理”进行创新设计,衍生出多种具有高功率密度的新型电机拓扑结构,即磁场调制型永磁电机。不仅实现了转子的降速和转矩提升,同时解决了齿轮箱和直驱技术中存在的问题,并具有低转速、大转矩、高功率/转矩密度等优点,在低速大转矩的应用场景中展现出卓越的前景。

  针对磁场调制电机国内外各大院校及研究机构尽管取得了许多成果,但在技术落地、产品化、市场化方面仍然处于初级阶段。这主要归咎于以下几个关键因素:

  1、结构复杂:磁场调制电机结构较普通电机复杂,如磁齿轮电机由于其结构中存在调磁块,在电机实际的加工、装配和运行安装过程中面临诸多困难;

  2、原理与实际偏差:在电机设计过程中,根据原理常常会忽略气隙长度限制和绕组端部距离等实际工程工艺问题,导致样机的实际性能低于理论设计值,优势不明显;

  3、成本增加:为了更好的提高某些新构型磁场调制电机的性能,设计时会增加永磁体的用量,这不仅增加了物料成本,还降低了产品的性价比,进而影响了市场推广和应用;

  4、控制算法优化:磁场调制电机与常规永磁电机的工作原理不同,它是基于磁齿轮效应运行并利用气隙中的多种磁场谐波成分产生转矩,在多种谐波磁场的协同下,电机的平均转矩得到极大提升。但也造成了磁场调制电机与传统永磁电机设计的主流控制方式无法直接匹配,需要专门进行优化。

  为了拓展直驱电机的更多应用场景,本末科技技术预研团队始终致力于挑战当前的技术难题,持续的技术攻关、优化并推动创新。在通过对电磁方案和结构设计的多次迭代与优化,成功推出一款具有更高转矩密度、工艺简单且可量产的磁场调制永磁电机方案。

  在新方案中采用外转子结构,定子部分采用24槽分布式绕组结构和多次分层绕线),从而有效地解决了定子高槽满率和绕组端部距离过长的问题。同时,转子部分采用外转子表贴式结构(如图2),实现了3.8:1的磁场减速比,相较于传统永磁电机明显提高了电机的转矩密度。

  为了逐步提升电机的转矩密度,本末科技技术预研团队经过持续的研究探索后,最终采用了海尔贝克(Halbach)阵列充磁技术方案,将外转子永磁电机中的永磁体从普通径向充磁改为海尔贝克充磁方式。(海尔贝克阵列是通过将不同充磁方向的永磁体按照一定的规律排列,能够在永磁体的一侧汇聚磁力线,而在另一侧消弱磁力线,从而获得比较理想的单边磁场)采用海尔贝克充磁方式后,可使气隙侧的磁通密度大幅度的增加,并减小了转子轭部磁通,与传统径向充磁方式相比,聚磁效果得到非常明显提升(如图3)。这种方案既考虑了性能优化,又兼顾了制造的可行性,把技术创新与实际应用相结合。

  由于转子轭部磁通显著减小,可减少转子轭部的厚度,大大降低转子重量和惯量,从而提升系统的快速响应性;同时,海尔贝克阵列充磁方式的应用使气隙磁通密度更接近正弦波(如图4),这不仅减少无用谐波含量,有助于降低齿槽转矩和转矩波动,还降低了铁耗,提升了电机效率。

  理想状态的海尔贝克阵列永磁体结构是整个圆环形永磁体的充磁方向沿周向连续变化,但是在实际制造中难以实现,为了平衡性能和制造工艺的矛盾,本末科技技术预研团队将圆环形永磁体等分成几何形状一致的扇形离散磁块,通过每块磁块不同的充磁方向拼接成一个圆环,最终形成定转子的组装方案(如图5)。既考虑了性能优化,又兼顾了制造的可行性,是技术创新与实际应用相结合的方案。

  本末科技技术预研团队不仅在电机结构设计上取得了重大突破,同时使用先进的FOC矢量控制方式、并通过一直在优化算法提升性能,包括:三电阻采样实现三相电流灵活运算;单周期获取转子位置,磁编码器转子角度线性度补偿算法;磁编码器零位偏移量、电压电流超前角、相电流死区补偿算法;谐波注入算法等。在安全方面,团队使用相电流、母线电流、温度等多种方式来进行保护,确保使控制更安全。此外,他们还采用片式任务轮训处理,结合状态机、汇编等技术,使控制更加简洁高效。

  在技术验证和样品测试上,海尔贝克阵列磁场调制电机展现出卓越性能,其转矩密度相比传统永磁电机提升了1.5倍以上(如图6、图7、图8.在24VDC、同体积电机测试条件下),最大转矩达到26Nm,有效重量转矩密度为18Nm/kg(电压增加至48VDC下还能提升40%),电机工作电压范围为14.4~60VDC。这一显著优势使得该电机方案能够赋能设备应对更复杂、更苛刻的工作环境。此外,该电机方案还能帮助减小设备体积和重量,进而降低生产所带来的成本和维护成本。这款磁场调制永磁电机凭借其高性能特点可适配更多设备,并拓展出更多应用场景。

  图6 24VDC时Halbach阵列磁场调制电机性能曲线VDC时传统永磁电机性能曲线 Halbach阵列磁场调制电机外形尺寸图

  本末科技作为一家市场导向型的科技型公司,拥有从传感器、驱动器到电机本体的全套设计生产技术。本末科技一直十分重视研发和技术的投入,目前已拥有超过百人的开发团队。为了更好引领直驱电机技术未来发展,在2023年初本末科技专门成立了技术预研团队,在电机的拓扑设计和算法上不断探索,目前在轴向磁通电机、磁场调制型的游标电机、磁场调制型的磁齿轮电机、内置式永磁体外转子永磁电机等新构型设计上进行了技术验证和持续迭代优化,并取得了累累硕果。本末科技希望能够通过技术投入在新兴永磁电机市场对国外电机公司实现弯道超车,赋能家用机器人、工商用机器人、健身设备、医疗康复设备、游戏设备等领域。

  另外,本末科技凭借搭建的供应链体系和敏捷交付能力,具备从技术端到产品端、生产端的强大转化能力,例如最新的磁场调制永磁电机的设计的具体方案,公司已申请了“基于海尔贝克阵列的充磁结构及电机”和“分布式绕组及磁场调制电机”等十余项专利,并能快速应用到本末各产品系列,提升整体产品性能。未来,本末科技将持续深耕直驱技术领域,加大企业研发投入,提升企业的创新能力和水平,为企业持续发展提供不竭动力,实现“直接驱动世界”的品牌愿景。