梁杰-永磁同步電機(jī)在螺桿泵和柱塞泵等恒力矩負(fù)載中的應(yīng)用

1、項(xiàng) 目 開 發(fā) 規(guī) 劃 書項(xiàng) 目 名 稱：永磁同步電機(jī)在螺桿泵和柱塞泵等體積泵中的應(yīng)用項(xiàng)目負(fù)責(zé)部門：陶瓷工業(yè)機(jī)電能效事業(yè)部編 寫：梁杰審 核：謝丹批 準(zhǔn)：楊 旭廣州智光節(jié)能有限公司說 明1 規(guī)劃書是項(xiàng)目設(shè)計開發(fā)過程中的指導(dǎo)性文件，各欄目的填寫應(yīng)認(rèn)真考慮；2. 嚴(yán)格按照項(xiàng)目開發(fā)規(guī)劃書要求進(jìn)行項(xiàng)目的開發(fā)和評審，在實(shí)際設(shè)計開發(fā) 過程中，如有變更， 請項(xiàng)目負(fù)責(zé)人提交項(xiàng)目開發(fā)異常報告，并對項(xiàng)目開發(fā)的異常過程做出詳細(xì)的分析及說明；3. 規(guī)劃書（或規(guī)劃書的部分章節(jié)）應(yīng)發(fā)至與項(xiàng)目開發(fā)相關(guān)的部門；4. 規(guī)劃書的正文描述一律用宋體小四字體；5. 規(guī)劃書應(yīng)雙面打印。項(xiàng)目名稱永磁同步電機(jī)在螺桿泵和柱塞泵等體積泵中的應(yīng)

2、用（P）類項(xiàng)目 （ ）類項(xiàng)目項(xiàng)目負(fù)責(zé)部門高效傳動技術(shù)研究所項(xiàng)目負(fù)責(zé)人謝丹項(xiàng)目來源新產(chǎn)品開發(fā)引進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化重要技術(shù)改進(jìn)產(chǎn)品系列化一般技術(shù)改進(jìn)合同要求P一、項(xiàng)目立項(xiàng)理由、項(xiàng)目背景分析及立項(xiàng)的意義立項(xiàng)理由：柱塞泵是依靠柱塞在缸體中往復(fù)運(yùn)動，使密封工作容腔的容積發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)吸油、壓油。柱塞泵具有額定壓力高、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高和流量調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高壓、大流量和流量需要調(diào)節(jié)的場合，諸如液壓機(jī)、工程機(jī)械和船舶中。螺桿泵是容積式轉(zhuǎn)子泵,它是依靠由螺桿和襯套形成的密封腔的容積變化來吸入和排出液體的。工作原理與齒輪泵相似，只是在結(jié)構(gòu)上用螺桿取代了齒輪。與離心泵不同，螺桿泵和柱塞泵等體積泵上推廣使用永磁

3、同步電機(jī)，可省去中間傳動機(jī)構(gòu)，電機(jī)直接驅(qū)動，可無級調(diào)速，軟啟動，符合螺桿泵和柱塞泵的負(fù)載特性、無需功率儲備，系統(tǒng)效率可大大提高。項(xiàng)目背景分析：柱塞泵柱塞往復(fù)運(yùn)動總行程L是不變的，柱塞每循環(huán)的供油量大小取決于供油行程。供油開始時刻不隨供油行程的變化而變化。轉(zhuǎn)動柱塞可改變供油終了時刻，從而改變供油量。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常運(yùn)行的情況下都是以壓力或流量來調(diào)節(jié)工作狀態(tài)。當(dāng)實(shí)際壓力大于需要壓力時，都是通過溢流閥來調(diào)節(jié)，使其工作壓力保持穩(wěn)定讓溢流閥施放超出部分。而電機(jī)一直處于全速運(yùn)行反復(fù)動作，功耗不變。當(dāng)采用溢流來調(diào)節(jié)壓力和流量時，有部分的余量溢流回原系統(tǒng)，從而造成柱塞泵存在無用功率，工作效率低。螺桿泵工

4、作時，液體被吸入后就進(jìn)入螺紋與泵殼所圍的密封空間，當(dāng)主動螺桿旋轉(zhuǎn)時，螺桿泵密封容積在螺牙的擠壓下提高螺桿泵壓力，并沿軸向移動。由于螺桿是等速旋轉(zhuǎn)，所以液體出流流量也是均勻的。螺桿泵和柱塞泵都是屬于體積泵，壓頭和負(fù)載壓力有關(guān)，和流量無關(guān)，即電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下仍然需要較大的力矩，必須通過變速裝置保證足夠的力矩。立項(xiàng)的意義：廣州智光節(jié)能有限公司為低轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載研發(fā)的節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)，采用永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，具備良好起動特性，高過載倍數(shù)，全速度范圍高效率，既覆蓋體積泵的特性要求，又適合通過去掉變速比裝置，實(shí)現(xiàn)高效直驅(qū)。既解決了啟動問題，又能根據(jù)流量需求的不同，實(shí)現(xiàn)大范圍變速運(yùn)行，使體積泵的節(jié)電效果不再受制

5、于傳統(tǒng)變頻器的損耗和變速裝置的限制。二、項(xiàng)目研發(fā)設(shè)計目標(biāo)本項(xiàng)目產(chǎn)品為高效高精度節(jié)能型體積泵伺服控制節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)，集先進(jìn)控制技術(shù)和控制策略為一體，符合國標(biāo)GB/T 7409.12008同步電機(jī)勵磁系統(tǒng) 定義，GB/T 227112008高效三相永磁同步電動機(jī)技術(shù)條件 和GB/T 227122008變頻電機(jī)用G系列冷卻風(fēng)機(jī)技術(shù)規(guī)范的要求，效率超過美國和歐洲的超高效電動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目產(chǎn)品主要是低速大扭矩永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)。低速大扭矩永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品特點(diǎn)：低速大扭矩、多極化設(shè)計、風(fēng)冷散熱，中空軸、內(nèi)置推力軸承；無傳感器設(shè)計；轉(zhuǎn)矩高達(dá)16000Nm。技術(shù)參數(shù)：容量范圍

6、45-250KW 極數(shù)8-64極 轉(zhuǎn)矩1000-16000NM 轉(zhuǎn)速20-2000rpm 速度控制范圍1:1000 速度控制精度0.01%其它要求，如安全、包裝、運(yùn)輸、維護(hù)和使用環(huán)境的要求。適用于低速、大扭矩、快速響應(yīng)運(yùn)行要求的體積泵主電機(jī)。三、研究開發(fā)方法、設(shè)計方案及技術(shù)路線（重點(diǎn)闡述）1、項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容及本項(xiàng)目要解決的關(guān)鍵技術(shù)；本項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容為高效高精度節(jié)能型體積泵伺服控制節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)，其中電機(jī)為低速大扭矩永磁同步電機(jī)。關(guān)鍵技術(shù)是：以稀土永磁材料為磁極，以永磁同步電機(jī)為執(zhí)行電機(jī)，綜合采用高精度矢量控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、多極化設(shè)計技術(shù)、位置伺服控制技術(shù)、高效風(fēng)冷散熱技術(shù)等同時進(jìn)行

7、合理化設(shè)計，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品體積縮小、低速大力矩、快速響應(yīng)、低噪音、效率高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度、控制精度及穩(wěn)定性均得到大幅提高，效率超過美國和歐洲的超高效電動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)其應(yīng)用于驅(qū)動體積泵時，關(guān)鍵技術(shù)為：在去掉變速裝置的情況下，根據(jù)不同的流量需求反饋，實(shí)時調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速，同時保持輸出力矩。2、項(xiàng)目主要發(fā)明及技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)；本項(xiàng)目永磁同步電動機(jī)由定子、定子繞組、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、永磁體及氣隙等構(gòu)成，采用稀土釹鐵硼材料的永磁體作為電機(jī)轉(zhuǎn)子，代替掉了易出故障的線圈轉(zhuǎn)子和電刷，而且減少了定子電流和定子電阻損耗，沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，轉(zhuǎn)子無發(fā)熱，克服了交流同步伺服電機(jī)的弱點(diǎn)，可以顯著提高功率因數(shù)。外部控制系統(tǒng)采用專用DSP芯

8、片，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器的矢量控制，通過對電樞磁通勢相對勵磁磁場進(jìn)行空間定向控制。采用自主創(chuàng)新的“STT”（電動機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤）技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)負(fù)載直接啟動。傳統(tǒng)電機(jī)的變頻調(diào)速只能在靜態(tài)下方可啟動，本項(xiàng)目在已有的點(diǎn)擊運(yùn)行及控制研究基礎(chǔ)上，獨(dú)創(chuàng)了“STT”算法，可確保電機(jī)在調(diào)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速下，無需停止即可直接無沖擊啟動系統(tǒng)，為用戶的運(yùn)維帶來極大方便。本項(xiàng)目針對體積泵負(fù)載不斷變化的特點(diǎn)，通過流量反饋信號的PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化而變化，極大的提升了體積泵的節(jié)能空間。在低轉(zhuǎn)速時同時保持足夠的轉(zhuǎn)動力矩，避免因轉(zhuǎn)速降低而驅(qū)動力不足的情況，解決了普通變頻器無法將恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載速度無限調(diào)低的問題。3

9、、項(xiàng)目的整體設(shè)計方案及子項(xiàng)目（或部件）實(shí)施方案（對主要部件、關(guān)鍵部件的實(shí)現(xiàn)要分別闡述）、主要的控制算法及實(shí)現(xiàn)描述；高效高精度節(jié)能型永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)主要由伺服控制部分和高效永磁同步電機(jī)組成。伺服控制是整個交流伺服系統(tǒng)的核心，包含系統(tǒng)位置控制器、速度控制器和電流控制器。本項(xiàng)目采用專用數(shù)字信號處理機(jī)（DSP）的伺服控制，以新型電機(jī)控制專用雙DSP為控制核心，輔以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷瑢?shí)現(xiàn)SPWM波形控制及各種信號的檢測、分析判斷和處理。永磁同步電動機(jī)由定子、定子繞組、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、永磁體及氣隙等構(gòu)成，采用稀土釹鐵硼材料的永磁體作為電機(jī)轉(zhuǎn)子，永磁體相當(dāng)于具有恒定電流的直流勵磁線圈，代替掉了易出故

10、障的線圈轉(zhuǎn)子和電刷，而且減少了定子電流和定子電阻損耗。4、項(xiàng)目的核心技術(shù)及保密要點(diǎn)。核心技術(shù)：電機(jī)外部控制系統(tǒng)采用專用DSP芯片，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器的矢量控制，同時采用自主創(chuàng)新的電動機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)負(fù)載直接啟動，可實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)即時啟動和停止。在運(yùn)行階段，使電機(jī)按照PID反饋調(diào)節(jié)運(yùn)行，隨著負(fù)載的變化，輸出最佳轉(zhuǎn)速，保證節(jié)電效果最佳。四、項(xiàng)目產(chǎn)品現(xiàn)有的研究開發(fā)基礎(chǔ)本節(jié)主要描述項(xiàng)目研究可借鑒的基礎(chǔ)技術(shù)、軟硬件平臺等方面的現(xiàn)有技術(shù)等。本項(xiàng)目產(chǎn)品永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)以稀土永磁材料為磁極，以永磁同步電機(jī)為執(zhí)行電機(jī)，綜合采用高精度矢量控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、位置伺服控制技術(shù)、集成化風(fēng)冷散熱技

11、術(shù)等，本項(xiàng)目依托公司技術(shù)研發(fā)中心和廣州智光電氣“控制與電機(jī)節(jié)能工程技術(shù)研究開發(fā)中心”，并與清華大學(xué)、華南理工大學(xué)等多所院校建立緊密的合作，充分利用外部資源保障技術(shù)的先進(jìn)性與可靠性。公司在電機(jī)能效提升研發(fā)方面已突破多項(xiàng)核心技術(shù)，累計獲得12項(xiàng)國家專利，專利詳細(xì)情況見下所示：1發(fā)明專利帶短路保護(hù)的電力逆變系統(tǒng)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法ZL200410052141.42發(fā)明專利一種高散熱結(jié)構(gòu)的風(fēng)冷大功率逆變器功率柜ZL200710029765.83發(fā)明專利高壓變頻移相或整流變壓器負(fù)載模擬裝置200810219892.94發(fā)明專利軌道電力機(jī)車的牽引同相供電裝置200910041299.45發(fā)明專利檢測

12、高壓變頻器功率單元輸入電壓相位的裝置及方法201010163418.66發(fā)明專利節(jié)能設(shè)備運(yùn)行遠(yuǎn)程管理信息系統(tǒng)200510120864.87實(shí)用新型大功率高壓功率單元低壓控制電源ZL200720055689.38實(shí)用新型一種高散熱結(jié)構(gòu)的功率單元箱ZLN200720055691.09實(shí)用新型高壓變頻移相或整流變壓器負(fù)載模擬裝置ZL200820205100.810實(shí)用新型母管制泵類的節(jié)能高效運(yùn)行控制系統(tǒng)ZL200820046709.511實(shí)用新型一種電力機(jī)車牽引同相供電裝置ZL200920194658.512實(shí)用新型一種無諧波污染大功率的直接電加熱中頻電源ZL200920237448.X五、項(xiàng)目組成

13、員及分工序號姓名部門項(xiàng)目分工投入項(xiàng)目起止時間1楊旭公司管理層項(xiàng)目總協(xié)調(diào)2013年7月-2014年7月謝丹工程應(yīng)用與技術(shù)研發(fā)中心項(xiàng)目負(fù)責(zé)人2013年7月-2014年7月2馬廷全工程應(yīng)用與技術(shù)研發(fā)中心研發(fā)人員2013年7月-2014年7月3梁杰工程應(yīng)用與技術(shù)研發(fā)中心研發(fā)人員2013年7月-2014年7月4郝境津工程應(yīng)用與技術(shù)研發(fā)中心研發(fā)人員2013年7月-2014年7月5謝俊工程應(yīng)用與技術(shù)研發(fā)中心研發(fā)人員2013年7月-2014年7月6顏暹耀工程應(yīng)用與技術(shù)研發(fā)中心檢測、測試2013年7月-2014年7月7張東工程應(yīng)用與技術(shù)研發(fā)中心檢測、測試2013年7月-2014年7月六、項(xiàng)目計劃工作進(jìn)度（1）2

14、013年7月至2013年8月：完成對伺服控制的設(shè)計和實(shí)施方案，包含系統(tǒng)位置控制器、速度控制器和電流控制器。（2）2013年9月至2013年12月：完成功率驅(qū)動部分的設(shè)計和實(shí)施方案，需評審內(nèi)容：能否實(shí)現(xiàn)抗電壓波動能力強(qiáng)、允許掉電時間長、電源敏感性與可靠性、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、高壓輸出突發(fā)短路保護(hù)功能。功率單元（由三相橋式整流器、電容器組、IGBT逆變橋（H橋）、輸出PWM電壓波形。完成永磁同步電動機(jī)的設(shè)計和實(shí)施方案，需評審內(nèi)容：定子、定子繞組、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、永磁體及氣隙是否符合國標(biāo)；電機(jī)效率和功率因數(shù)；體積、重量輕、轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)速度、運(yùn)行平穩(wěn)性、過載能力等。（3）2014年1月至2014年2月：位置反饋

15、裝置設(shè)計、電流反饋單元設(shè)計和實(shí)施方案，評審內(nèi)容：傳感器、速度傳感器，旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器的精度，電流反饋單元、霍爾電流傳感器、輸出電位。（4）2014年3月至2014年6月：完成系統(tǒng)集成并現(xiàn)場試用和測試，評審內(nèi)容：評估系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。完成體積泵現(xiàn)場測試，分析不同輸出轉(zhuǎn)速下的電機(jī)整體效率。需評審內(nèi)容：不同負(fù)載情況下，電機(jī)最大電流和響應(yīng)速度。（6）2014年7月：永磁同步電機(jī)在螺桿泵和柱塞泵等體積泵中的應(yīng)用立項(xiàng)結(jié)題。七、項(xiàng)目費(fèi)用預(yù)算企業(yè)研究開發(fā)項(xiàng)目費(fèi)用預(yù)算表 單位：萬元項(xiàng)目名稱永磁同步電機(jī)在螺桿泵和柱塞泵等體積泵中的應(yīng)用項(xiàng)目起止時間2013年7月-2014年7月支出科目預(yù)算發(fā)生金額一、

16、人員人工（根據(jù)項(xiàng)目組的成員及參與時間由人力資源部協(xié)助對人員工資進(jìn)行核算）15 1、工資、獎金 2、津貼、補(bǔ)貼 3、年終加薪、加班工資 4、人員聘用 5、其他支出二、直接投入 6、原材料、輔助材料 7、燃料動力（電費(fèi):0.8元/1KW）主要針對實(shí)驗(yàn)及調(diào)試過程中所消耗的電量 8、產(chǎn)品試制（PCB打樣費(fèi)用、結(jié)構(gòu)模具開模費(fèi)等） 9、達(dá)不到固定資產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的模具、 樣品、樣機(jī)及一般測試手段 購置費(fèi) 10、試制產(chǎn)品檢驗(yàn)費(fèi)、鑒定費(fèi)（項(xiàng)目研發(fā)過程中所有委外的試驗(yàn)及鑒定費(fèi)用） 11、儀器設(shè)備購置及簡單維護(hù)費(fèi)(針對研發(fā)項(xiàng)目需要新購置及維護(hù)的儀器設(shè)備) 12、以經(jīng)營租賃方式租入的固定 資產(chǎn)租賃費(fèi)（租用其它公司的儀器設(shè)備） 13、其他支出三、設(shè)計費(fèi)用（委外的設(shè)計費(fèi)），所有設(shè)計如果由我司員工設(shè)計完成的，應(yīng)將設(shè)計人員列入項(xiàng)目組中，并估算項(xiàng)目的設(shè)計時間 14、新產(chǎn)品設(shè)計 15、新工藝設(shè)計 16、工序、技術(shù)規(guī)范設(shè)計 17、操作特性設(shè)計 18、其他支出四、裝備調(diào)試費(fèi)（忽略不計） 19、研制生產(chǎn)機(jī)器 20、模具、工具開發(fā)及制造 21、設(shè)備調(diào)整費(fèi) 22、改變生產(chǎn)和質(zhì)量控