電機(jī)，被譽(yù)為工業(yè)生產(chǎn)的“心臟”，是一種基于電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵裝置，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中作為動(dòng)力源。目前傳統(tǒng)電機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)成熟，發(fā)達(dá)國(guó)家憑借技術(shù)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)在全球市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中，電機(jī)通常需要配備齒輪箱等中間環(huán)節(jié)以實(shí)現(xiàn)與負(fù)載間的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩匹配。然而，這些機(jī)械齒輪結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)額外的損耗、振動(dòng)和噪聲等問(wèn)題。在不規(guī)則負(fù)載或過(guò)載條件下，這些問(wèn)題還可能造成不可逆的損壞，從而降低系統(tǒng)的整體效率和可靠性。因此，逐漸去除齒輪箱并采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的直驅(qū)技術(shù)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。這種技術(shù)可以減少中間環(huán)節(jié)帶來(lái)的能量損失和機(jī)械故障，提高系統(tǒng)的整體效率和可靠性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的不斷需求，直驅(qū)技術(shù)將在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

直驅(qū)電機(jī)的技術(shù)挑戰(zhàn)與探索

直驅(qū)電機(jī)在市場(chǎng)應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。根據(jù)經(jīng)典電機(jī)設(shè)計(jì)理論，當(dāng)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與其體積大致成正比。為滿足低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)電機(jī)的運(yùn)行需求，需要增加電機(jī)的極對(duì)數(shù)，但這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)槽數(shù)、繞組極數(shù)和永磁體極數(shù)過(guò)多，進(jìn)而造成電機(jī)體積變大、成本增高，從而限制了直驅(qū)電機(jī)的應(yīng)用范圍。

然而，同軸式磁性齒輪的提出為低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了提供了新的思路。通過(guò)運(yùn)用磁性齒輪的“磁場(chǎng)調(diào)制原理”進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，衍生出多種具有高功率密度的新型電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即磁場(chǎng)調(diào)制型永磁電機(jī)。不僅實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的降速和轉(zhuǎn)矩提升，同時(shí)解決了齒輪箱和直驅(qū)技術(shù)中存在的問(wèn)題，并具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、高功率/轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)點(diǎn)，在低速大轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出卓越的前景。

針對(duì)磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)國(guó)內(nèi)外各大院校及研究機(jī)構(gòu)盡管取得了許多成果，但在技術(shù)落地、產(chǎn)品化、市場(chǎng)化方面仍然處于初級(jí)階段。這主要?dú)w咎于以下幾個(gè)關(guān)鍵因素：

1、結(jié)構(gòu)復(fù)雜：磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)結(jié)構(gòu)較普通電機(jī)復(fù)雜，如磁齒輪電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)中存在調(diào)磁塊，在電機(jī)實(shí)際的加工、裝配和運(yùn)行安裝過(guò)程中面臨諸多困難;

2、原理與實(shí)際偏差：在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)原理常常會(huì)忽略氣隙長(zhǎng)度限制和繞組端部距離等實(shí)際工程工藝問(wèn)題，導(dǎo)致樣機(jī)的實(shí)際性能低于理論設(shè)計(jì)值，優(yōu)勢(shì)不明顯;

3、成本增加：為了提高某些新構(gòu)型磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)的性能，設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)增加永磁體的用量，這不僅增加了物料成本，還降低了產(chǎn)品的性價(jià)比，從而影響了市場(chǎng)推廣和應(yīng)用;

4、控制算法優(yōu)化：磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)與常規(guī)永磁電機(jī)的工作原理不同，它是基于磁齒輪效應(yīng)運(yùn)行并利用氣隙中的多種磁場(chǎng)諧波成分產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在多種諧波磁場(chǎng)的協(xié)同下，電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩得到極大提升。但也造成了磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)與傳統(tǒng)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的主流控制方式無(wú)法直接匹配，需要專門進(jìn)行優(yōu)化。

為了拓展直驅(qū)電機(jī)的更多應(yīng)用場(chǎng)景，本末科技技術(shù)預(yù)研團(tuán)隊(duì)一直致力于挑戰(zhàn)當(dāng)前的技術(shù)難題，持續(xù)的技術(shù)攻關(guān)、優(yōu)化并推動(dòng)創(chuàng)新。在通過(guò)對(duì)電磁方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多次迭代與優(yōu)化，成功推出一款具有更高轉(zhuǎn)矩密度、工藝簡(jiǎn)單且可量產(chǎn)的磁場(chǎng)調(diào)制永磁電機(jī)方案。

本末科技磁場(chǎng)調(diào)制永磁電機(jī)創(chuàng)新方案解析

在新方案中采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子部分采用24槽分布式繞組結(jié)構(gòu)以及多次分層繞線的工藝(如圖1)，從而有效地解決了定子高槽滿率和繞組端部距離過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。同時(shí)，轉(zhuǎn)子部分采用外轉(zhuǎn)子表貼式結(jié)構(gòu)(如圖2)，實(shí)現(xiàn)了3.8:1的磁場(chǎng)減速比，相較于傳統(tǒng)永磁電機(jī)顯著提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。

圖1 定子分布式多層繞組

圖2 外轉(zhuǎn)子表貼式結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，本末科技技術(shù)預(yù)研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)持續(xù)的研究探索后，最終采用了海爾貝克(Halbach)陣列充磁技術(shù)方案，將外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)中的永磁體從普通徑向充磁改為海爾貝克充磁方式。(海爾貝克陣列是通過(guò)將不同充磁方向的永磁體按照一定的規(guī)律排列，能夠在永磁體的一側(cè)匯聚磁力線，而在另一側(cè)消弱磁力線，從而獲得比較理想的單邊磁場(chǎng))采用海爾貝克充磁方式后，可使氣隙側(cè)的磁通密度大幅增加，并減小了轉(zhuǎn)子軛部磁通，與傳統(tǒng)徑向充磁方式相比，聚磁效果得到顯著提升(如圖3)。這種方案既考慮了性能優(yōu)化，又兼顧了制造的可行性，把技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。

圖3 磁力線分布對(duì)比圖

由于轉(zhuǎn)子軛部磁通顯著減小，可減少轉(zhuǎn)子軛部的厚度，有效降低轉(zhuǎn)子重量和慣量，從而提升系統(tǒng)的快速響應(yīng)性;同時(shí)，海爾貝克陣列充磁方式的應(yīng)用使氣隙磁通密度更接近正弦波(如圖4)，這不僅減少無(wú)用諧波含量，有助于降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，還降低了鐵耗，提升了電機(jī)效率。

圖4 Halbach陣列磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)圖

理想狀態(tài)的海爾貝克陣列永磁體結(jié)構(gòu)是整個(gè)圓環(huán)形永磁體的充磁方向沿周向連續(xù)變化，但是在實(shí)際制造中難以實(shí)現(xiàn)，為了平衡性能和制造工藝的矛盾，本末科技技術(shù)預(yù)研團(tuán)隊(duì)將圓環(huán)形永磁體等分成幾何形狀一致的扇形離散磁塊，通過(guò)每塊磁塊不同的充磁方向拼接成一個(gè)圓環(huán)，最終形成定轉(zhuǎn)子的組裝方案(如圖5)。既考慮了性能優(yōu)化，又兼顧了制造的可行性，是技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的方案。

圖5 Halbach陣列磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)

本末科技技術(shù)預(yù)研團(tuán)隊(duì)不僅在電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上取得了重大突破，同時(shí)采用先進(jìn)的FOC矢量控制方式、并通過(guò)不斷優(yōu)化算法提升性能，包括：三電阻采樣實(shí)現(xiàn)三相電流靈活運(yùn)算;單周期獲取轉(zhuǎn)子位置，磁編碼器轉(zhuǎn)子角度線性度補(bǔ)償算法;磁編碼器零位偏移量、電壓電流超前角、相電流死區(qū)補(bǔ)償算法;諧波注入算法等。在安全方面，團(tuán)隊(duì)使用相電流、母線電流、溫度等多種方式進(jìn)行保護(hù)，確保使控制更安全。此外，他們還采用片式任務(wù)輪訓(xùn)處理，結(jié)合狀態(tài)機(jī)、匯編等技術(shù)，使控制更加簡(jiǎn)潔高效。

在技術(shù)驗(yàn)證和樣品測(cè)試上，海爾貝克陣列磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)展現(xiàn)出卓越性能，其轉(zhuǎn)矩密度相比傳統(tǒng)永磁電機(jī)提升了1.5倍以上(如圖6、圖7、圖8.在24VDC、同體積電機(jī)測(cè)試條件下)，最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到26Nm，有效重量轉(zhuǎn)矩密度為18Nm/kg(電壓增加至48VDC下還能提升40%)，電機(jī)工作電壓范圍為14.4～60VDC。這一顯著優(yōu)勢(shì)使得該電機(jī)方案能夠賦能設(shè)備應(yīng)對(duì)更復(fù)雜、更苛刻的工作環(huán)境。此外，該電機(jī)方案還能幫助減小設(shè)備體積和重量，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本和維護(hù)成本。這款磁場(chǎng)調(diào)制永磁電機(jī)憑借其高性能特點(diǎn)可適配更多設(shè)備，并拓展出更多應(yīng)用場(chǎng)景。

圖6 24VDC時(shí)Halbach陣列磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)性能曲線圖

圖7 24VDC時(shí)傳統(tǒng)永磁電機(jī)性能曲線圖

圖8 Halbach陣列磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)外形尺寸圖

本末科技作為一家市場(chǎng)導(dǎo)向型的科技型公司，擁有從傳感器、驅(qū)動(dòng)器到電機(jī)本體的全套設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)。本末科技一直十分重視研發(fā)和技術(shù)的投入，目前已經(jīng)擁有超過(guò)百人的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。為了更好引領(lǐng)直驅(qū)電機(jī)技術(shù)未來(lái)發(fā)展，在2023年初本末科技專門成立了技術(shù)預(yù)研團(tuán)隊(duì)，在電機(jī)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)和算法上不斷探索，目前在軸向磁通電機(jī)、磁場(chǎng)調(diào)制型的游標(biāo)電機(jī)、磁場(chǎng)調(diào)制型的磁齒輪電機(jī)、內(nèi)置式永磁體外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)等新構(gòu)型設(shè)計(jì)上進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證和持續(xù)迭代優(yōu)化，并取得了累累碩果。本末科技希望通過(guò)技術(shù)投入在新興永磁電機(jī)市場(chǎng)對(duì)國(guó)外電機(jī)企業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車，賦能家用機(jī)器人、工商用機(jī)器人、健身設(shè)備、醫(yī)療康復(fù)設(shè)備、游戲設(shè)備等領(lǐng)域。

另外，本末科技憑借搭建的供應(yīng)鏈體系和敏捷交付能力，具備從技術(shù)端到產(chǎn)品端、生產(chǎn)端的強(qiáng)大轉(zhuǎn)化能力，例如最新的磁場(chǎng)調(diào)制永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，公司已經(jīng)申請(qǐng)了“基于海爾貝克陣列的充磁結(jié)構(gòu)及電機(jī)”和“分布式繞組及磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)”等十余項(xiàng)專利，并能夠快速應(yīng)用到本末各產(chǎn)品系列，提升整體產(chǎn)品性能。未來(lái)，本末科技將持續(xù)深耕直驅(qū)技術(shù)領(lǐng)域，加大企業(yè)研發(fā)投入，提升企業(yè)的創(chuàng)新能力和水平，為企業(yè)持續(xù)發(fā)展提供不竭動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)“直接驅(qū)動(dòng)世界”的品牌愿景。