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    我科学家对机械装备无齿轮传动技术的研究达到国际先进水平

    日期 2007-07-30   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

      本文提要:在机械装备的传动系统中,取消机械减速机,将电机与机械负载融为一体,通过微电子和电力电子组成的电源控制电机运行,即组成电子-电气-机械一体化的传动系统,实现具有效率高、体积小、结构简单、无污染等特点的无齿轮传动,已经成为现代机械装备电气传动系统的主要发展方向。沈阳工业大学张炳义教授领导的课题组,在国家自然科学基金等资助下,研制成功低速大转矩稀土永磁同步电动机,其特点是将电机与机械负载融为一体设计,研制的永磁同步无齿轮电梯曳引机的关键技术指标,最低恒转矩频率降至0.2Hz,其它主要性能指标均达到了该类产品的国际先进水平。永磁同步无齿轮电梯曳引机的成功研制,使我国成为继欧共体和日本之后,拥有永磁同步无齿轮电梯曳引机的知识产权国家之一。该项成果对机械装备及其应用领域的节能降耗具有重要意义。

       齿轮减速机是绝大多数机械装备的必备构件,这是因为传统电机(尤其是中小型电机)无法直接适应负载的低速(低于500rpm)大转矩(大于500Nm)要求。减速机的存在造成系统传动效率降低、设备体积增大、钢铁材料需求多、加工工艺复杂、噪音高、润滑油污染严重、使用寿命降低和日常维护工作量加大等问题。从90年代初开始,随着电力电子技术的发展和稀土永磁材料在电机中的推广应用,发达国家开始探索在低速大转矩传动系统中,取消减速机,采用微电子与电力电子组成的电源供电,将低速大转矩永磁同步电动机与机械负载融为一体设计,组成电子-电气-机械一体化无齿轮传动系统。这项技术的关键问题是取消减速机后,如何消除电动机在低频时的转矩脉振问题,即如何使电机在保持额定转矩恒定条件下的最低允许平稳运行频率多少问题,这是衡量低速大转矩无齿轮传动技术水平的一个重要指标。围绕这个问题各国学者纷纷展开研究,芬兰的通力(Kone)电梯公司, 20世纪90年代初率先研制成功了世界上第一台无齿轮电梯曳引机。继而德国、日本电梯公司的技术人员也先后掌握了该项技术。90年代后期,该项技术产品(德国和日本的产品为主)开始进入我国市场,并迅速占据了我国电梯市场70%左右的份额,使我国电梯行业几乎全部被国外产品垄断。

      沈阳工业大学张炳义教授及其研究集体在国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金以及3项沈阳市科技攻关和产业化项目的资助下,于1999年开始跟踪国外研究动态,对无齿轮电梯技术进行研究。通过论证,课题组围绕如何消除电动机在低频时的转矩脉振问题进行了攻关研究,认为消除低速大转矩无齿轮传动系统低频转矩脉动的关键点是使永磁同步电动机内电势波形正弦化。课题组首先从理论上证明了只有合理地选择永磁磁极的形式,优化永磁磁极的极弧系数,电枢绕组采用合适的分数槽以及定子适当斜槽才有可能实现电动机内电势波形正弦化。在反复试验的基础上,课题组研制出了符合要求电动机,并有效的消除了电机中的磁场谐波,使电机内电势的波形畸变率低于3.25%,比国家要求的电网波形畸变率5%指标低1.75个百分点。

      在此基础上,课题组打破了我国将电机作为通用机械设备的设计和制造的传统观念,采用了电子-电气-机械一体化传动系统的设计和制造方案。将机械装备的性能水平从机械特征为主,转变为以电气性能为主,在设计上体现了系统一体化最优。课题组以电梯曳引传动系统为主要研究对象,经过3年的努力,研制成功了具有自主知识产权的永磁同步无齿轮电梯曳引机。与相同载重量和梯速的传统蜗轮蜗杆曳引机相比,该类永磁同步无齿轮电梯曳引机具有电机的额定功率降低50%、体积减小60%、噪音降低35dB、无润滑油污染、使用寿命提高一倍、可以实现远程维护等特点。与国外同类技术产品相比,决定低速平稳性的关键指标,电机的最低恒转矩频率降至0.2Hz,是代表国际先进水平的日本安川电机(2Hz)的1/10,且其它主要性能指标均达到了国际先进水平。永磁同步无齿轮电梯曳引机的研制成功,使我国成为继欧共体和日本之后,拥有永磁同步无齿轮电梯曳引机的知识产权国家之一。

      作为国家和辽宁省自然科学基金资助项目的科技成果,无齿轮永磁同步电梯曳引机于2004年底通过了由辽宁省科技厅主持,中国工程院朱英浩院士为主任委员的科学技术成果鉴定,结论为:“该项技术成果在低速大转矩无齿轮传动技术领域,达到国际先进水平;在消除低频转矩脉动技术方面,处于国际领先地位。” 该项科技成果于2006年2月获得辽宁省科技进步二等奖,并被列入国家自然科学基金2005年年度报告,2007年3月获得辽宁省科技成果转化3等奖。

      在永磁同步无齿轮电梯曳引机研制成功之后,课题组以国家稀土永磁电机工程技术研究中心(以沈阳工业大学为依托)为转化基地,与沈阳蓝光(集团)公司密切合作,于2003年率先使无齿轮永磁同步电梯曳引机在中国实现产业化。截止到2006年底,已经销售1.6万余台,销售额超3亿元以上,实现利税8000万元以上。正是由于该项成果的产业化,迫使发达国家在我国市场上的同类产品,不得不从2000年以前的平均每台13万元人民币,降到2006年的平均每台5万元人民币。而我们生产的该项技术产品平均每台售价仅2万元人民币,与国际先进技术水平相比,具有十分明显的性能价格比优势。目前沈阳蓝光以“永磁同步无齿轮电梯曳引机”技术的知识产权与美国OTIS电梯公司合资组建“蓝光奥的斯电梯曳引机(天津)有限公司”,专门从事无齿轮电梯曳引机的大规模生产和销售。

      在项目研制过程中课题组在国内外学术期刊和国际学术会议上发表论文15篇,其中12篇被EI和ISTP收录;课题组已获得实用新型专利3项,并申请了2项国家发明专利;作为该项成果的理论总结,张炳义教授的专著“低速大转矩无齿轮传动系统的理论与技术”也于2005年获得国家自然科学基金的专著出版基金资助。

      该项成果具有广阔的发展空间和市场应用前景,可以拓展应用到数控机床、石油化工机械、电力机械、冶金矿山机械等多种需要机械减速机来实现低速大转矩传动的领域,对机械装备的节能降耗,以及进一步改造和提升机械装备的设计水平和性能水平具有重要意义。




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