梁杰-永磁同步电机在螺杆泵和柱塞泵等恒力矩负载中的应用

1、项 目 开 发 规 划 书项 目 名 称：永磁同步电机在螺杆泵和柱塞泵等体积泵中的应用项目负责部门：陶瓷工业机电能效事业部编 写：梁杰审 核：谢丹批 准：杨 旭广州智光节能有限公司说 明1 规划书是项目设计开发过程中的指导性文件，各栏目的填写应认真考虑；2. 严格按照项目开发规划书要求进行项目的开发和评审，在实际设计开发 过程中，如有变更， 请项目负责人提交项目开发异常报告，并对项目开发的异常过程做出详细的分析及说明；3. 规划书（或规划书的部分章节）应发至与项目开发相关的部门；4. 规划书的正文描述一律用宋体小四字体；5. 规划书应双面打印。项目名称永磁同步电机在螺杆泵和柱塞泵等体积泵中的应

2、用（P）类项目 （ ）类项目项目负责部门高效传动技术研究所项目负责人谢丹项目来源新产品开发引进技术转化重要技术改进产品系列化一般技术改进合同要求P一、项目立项理由、项目背景分析及立项的意义立项理由：柱塞泵是依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油。柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高和流量调节方便等优点，被广泛应用于高压、大流量和流量需要调节的场合，诸如液压机、工程机械和船舶中。螺杆泵是容积式转子泵,它是依靠由螺杆和衬套形成的密封腔的容积变化来吸入和排出液体的。工作原理与齿轮泵相似，只是在结构上用螺杆取代了齿轮。与离心泵不同，螺杆泵和柱塞泵等体积泵上推广使用永磁

3、同步电机，可省去中间传动机构，电机直接驱动，可无级调速，软启动，符合螺杆泵和柱塞泵的负载特性、无需功率储备，系统效率可大大提高。项目背景分析：柱塞泵柱塞往复运动总行程L是不变的，柱塞每循环的供油量大小取决于供油行程。供油开始时刻不随供油行程的变化而变化。转动柱塞可改变供油终了时刻，从而改变供油量。在实际生产过程中，通常运行的情况下都是以压力或流量来调节工作状态。当实际压力大于需要压力时，都是通过溢流阀来调节，使其工作压力保持稳定让溢流阀施放超出部分。而电机一直处于全速运行反复动作，功耗不变。当采用溢流来调节压力和流量时，有部分的余量溢流回原系统，从而造成柱塞泵存在无用功率，工作效率低。螺杆泵工

4、作时，液体被吸入后就进入螺纹与泵壳所围的密封空间，当主动螺杆旋转时，螺杆泵密封容积在螺牙的挤压下提高螺杆泵压力，并沿轴向移动。由于螺杆是等速旋转，所以液体出流流量也是均匀的。螺杆泵和柱塞泵都是属于体积泵，压头和负载压力有关，和流量无关，即电机在低转速下仍然需要较大的力矩，必须通过变速装置保证足够的力矩。立项的意义：广州智光节能有限公司为低转速恒转矩负载研发的节能驱动系统，采用永磁同步电机伺服系统，具备良好起动特性，高过载倍数，全速度范围高效率，既覆盖体积泵的特性要求，又适合通过去掉变速比装置，实现高效直驱。既解决了启动问题，又能根据流量需求的不同，实现大范围变速运行，使体积泵的节电效果不再受制

5、于传统变频器的损耗和变速装置的限制。二、项目研发设计目标本项目产品为高效高精度节能型体积泵伺服控制节能驱动系统，集先进控制技术和控制策略为一体，符合国标GB/T 7409.12008同步电机励磁系统 定义，GB/T 227112008高效三相永磁同步电动机技术条件 和GB/T 227122008变频电机用G系列冷却风机技术规范的要求，效率超过美国和欧洲的超高效电动机标准。项目产品主要是低速大扭矩永磁同步电机及其驱动系统。低速大扭矩永磁同步电机及其驱动系统产品特点：低速大扭矩、多极化设计、风冷散热，中空轴、内置推力轴承；无传感器设计；转矩高达16000Nm。技术参数：容量范围

6、45-250KW 极数8-64极 转矩1000-16000NM 转速20-2000rpm 速度控制范围1:1000 速度控制精度0.01%其它要求，如安全、包装、运输、维护和使用环境的要求。适用于低速、大扭矩、快速响应运行要求的体积泵主电机。三、研究开发方法、设计方案及技术路线（重点阐述）1、项目研究的主要内容及本项目要解决的关键技术；本项目研究的主要内容为高效高精度节能型体积泵伺服控制节能驱动系统，其中电机为低速大扭矩永磁同步电机。关键技术是：以稀土永磁材料为磁极，以永磁同步电机为执行电机，综合采用高精度矢量控制技术、变频调速技术、多极化设计技术、位置伺服控制技术、高效风冷散热技术等同时进行

7、合理化设计，最终实现产品体积缩小、低速大力矩、快速响应、低噪音、效率高的特点，实现响应速度、控制精度及稳定性均得到大幅提高，效率超过美国和欧洲的超高效电动机标准。当其应用于驱动体积泵时，关键技术为：在去掉变速装置的情况下，根据不同的流量需求反馈，实时调节输出转速，同时保持输出力矩。2、项目主要发明及技术创新点；本项目永磁同步电动机由定子、定子绕组、转子、转轴、永磁体及气隙等构成，采用稀土钕铁硼材料的永磁体作为电机转子，代替掉了易出故障的线圈转子和电刷，而且减少了定子电流和定子电阻损耗，没有转子电阻损耗，转子无发热，克服了交流同步伺服电机的弱点，可以显著提高功率因数。外部控制系统采用专用DSP芯

8、片，实现无速度传感器的矢量控制，通过对电枢磁通势相对励磁磁场进行空间定向控制。采用自主创新的“STT”（电动机转速跟踪）技术实现电机控制旋转负载直接启动。传统电机的变频调速只能在静态下方可启动，本项目在已有的点击运行及控制研究基础上，独创了“STT”算法，可确保电机在调速范围内的任何转速下，无需停止即可直接无冲击启动系统，为用户的运维带来极大方便。本项目针对体积泵负载不断变化的特点，通过流量反馈信号的PID调节，实现输出转速随负载的变化而变化，极大的提升了体积泵的节能空间。在低转速时同时保持足够的转动力矩，避免因转速降低而驱动力不足的情况，解决了普通变频器无法将恒转矩负载速度无限调低的问题。3

9、、项目的整体设计方案及子项目（或部件）实施方案（对主要部件、关键部件的实现要分别阐述）、主要的控制算法及实现描述；高效高精度节能型永磁同步电机伺服控制系统主要由伺服控制部分和高效永磁同步电机组成。伺服控制是整个交流伺服系统的核心，包含系统位置控制器、速度控制器和电流控制器。本项目采用专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制，以新型电机控制专用双DSP为控制核心，辅以大规模可编程逻辑器件，实现SPWM波形控制及各种信号的检测、分析判断和处理。永磁同步电动机由定子、定子绕组、转子、转轴、永磁体及气隙等构成，采用稀土钕铁硼材料的永磁体作为电机转子，永磁体相当于具有恒定电流的直流励磁线圈，代替掉了易出故

10、障的线圈转子和电刷，而且减少了定子电流和定子电阻损耗。4、项目的核心技术及保密要点。核心技术：电机外部控制系统采用专用DSP芯片，实现无速度传感器的矢量控制，同时采用自主创新的电动机转速跟踪技术实现电机控制旋转负载直接启动，可实现同步电机即时启动和停止。在运行阶段，使电机按照PID反馈调节运行，随着负载的变化，输出最佳转速，保证节电效果最佳。四、项目产品现有的研究开发基础本节主要描述项目研究可借鉴的基础技术、软硬件平台等方面的现有技术等。本项目产品永磁同步电机伺服控制系统以稀土永磁材料为磁极，以永磁同步电机为执行电机，综合采用高精度矢量控制技术、变频调速技术、位置伺服控制技术、集成化风冷散热技

11、术等，本项目依托公司技术研发中心和广州智光电气“控制与电机节能工程技术研究开发中心”，并与清华大学、华南理工大学等多所院校建立紧密的合作，充分利用外部资源保障技术的先进性与可靠性。公司在电机能效提升研发方面已突破多项核心技术，累计获得12项国家专利，专利详细情况见下所示：1发明专利带短路保护的电力逆变系统主回路拓扑结构及其构建方法ZL200410052141.42发明专利一种高散热结构的风冷大功率逆变器功率柜ZL200710029765.83发明专利高压变频移相或整流变压器负载模拟装置200810219892.94发明专利轨道电力机车的牵引同相供电装置200910041299.45发明专利检测

12、高压变频器功率单元输入电压相位的装置及方法201010163418.66发明专利节能设备运行远程管理信息系统200510120864.87实用新型大功率高压功率单元低压控制电源ZL200720055689.38实用新型一种高散热结构的功率单元箱ZLN200720055691.09实用新型高压变频移相或整流变压器负载模拟装置ZL200820205100.810实用新型母管制泵类的节能高效运行控制系统ZL200820046709.511实用新型一种电力机车牵引同相供电装置ZL200920194658.512实用新型一种无谐波污染大功率的直接电加热中频电源ZL200920237448.X五、项目组成

13、员及分工序号姓名部门项目分工投入项目起止时间1杨旭公司管理层项目总协调2013年7月-2014年7月谢丹工程应用与技术研发中心项目负责人2013年7月-2014年7月2马廷全工程应用与技术研发中心研发人员2013年7月-2014年7月3梁杰工程应用与技术研发中心研发人员2013年7月-2014年7月4郝境津工程应用与技术研发中心研发人员2013年7月-2014年7月5谢俊工程应用与技术研发中心研发人员2013年7月-2014年7月6颜暹耀工程应用与技术研发中心检测、测试2013年7月-2014年7月7张东工程应用与技术研发中心检测、测试2013年7月-2014年7月六、项目计划工作进度（1）2

14、013年7月至2013年8月：完成对伺服控制的设计和实施方案，包含系统位置控制器、速度控制器和电流控制器。（2）2013年9月至2013年12月：完成功率驱动部分的设计和实施方案，需评审内容：能否实现抗电压波动能力强、允许掉电时间长、电源敏感性与可靠性、系统运行稳定性、高压输出突发短路保护功能。功率单元（由三相桥式整流器、电容器组、IGBT逆变桥（H桥）、输出PWM电压波形。完成永磁同步电动机的设计和实施方案，需评审内容：定子、定子绕组、转子、转轴、永磁体及气隙是否符合国标；电机效率和功率因数；体积、重量轻、转矩，响应速度、运行平稳性、过载能力等。（3）2014年1月至2014年2月：位置反馈

15、装置设计、电流反馈单元设计和实施方案，评审内容：传感器、速度传感器，旋转变压器和光电编码器的精度，电流反馈单元、霍尔电流传感器、输出电位。（4）2014年3月至2014年6月：完成系统集成并现场试用和测试，评审内容：评估系统运行的稳定性和可靠性。完成体积泵现场测试，分析不同输出转速下的电机整体效率。需评审内容：不同负载情况下，电机最大电流和响应速度。（6）2014年7月：永磁同步电机在螺杆泵和柱塞泵等体积泵中的应用立项结题。七、项目费用预算企业研究开发项目费用预算表 单位：万元项目名称永磁同步电机在螺杆泵和柱塞泵等体积泵中的应用项目起止时间2013年7月-2014年7月支出科目预算发生金额一、

16、人员人工（根据项目组的成员及参与时间由人力资源部协助对人员工资进行核算）15 1、工资、奖金 2、津贴、补贴 3、年终加薪、加班工资 4、人员聘用 5、其他支出二、直接投入 6、原材料、辅助材料 7、燃料动力（电费:0.8元/1KW）主要针对实验及调试过程中所消耗的电量 8、产品试制（PCB打样费用、结构模具开模费等） 9、达不到固定资产标准的模具、 样品、样机及一般测试手段 购置费 10、试制产品检验费、鉴定费（项目研发过程中所有委外的试验及鉴定费用） 11、仪器设备购置及简单维护费(针对研发项目需要新购置及维护的仪器设备) 12、以经营租赁方式租入的固定 资产租赁费（租用其它公司的仪器设备） 13、其他支出三、设计费用（委外的设计费），所有设计如果由我司员工设计完成的，应将设计人员列入项目组中，并估算项目的设计时间 14、新产品设计 15、新工艺设计 16、工序、技术规范设计 17、操作特性设计 18、其他支出四、装备调试费（忽略不计） 19、研制生产机器 20、模具、工具开发及制造 21、设备调整费 22、改变生产和质量控