以技術(shù)創(chuàng)新塑造產(chǎn)品力，本末科技重新定義直驅(qū)電機效能
電機，被譽為工業(yè)生產(chǎn)的“心臟”，是一種基于電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電能與機械能相互轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵裝置，廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備中作為動力源。目前傳統(tǒng)電機市場已經(jīng)成熟，發(fā)達國家憑借技術(shù)和市場優(yōu)勢在全球市場中占據(jù)主導(dǎo)地位。
在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中，電機通常需要配備齒輪箱等中間環(huán)節(jié)以實現(xiàn)與負載間的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩匹配。然而，這些機械齒輪結(jié)構(gòu)會帶來額外的損耗、振動和噪聲等問題。在不規(guī)則負載或過載條件下，這些問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直接驅(qū)動負載的直驅(qū)技術(shù)成為未來的發(fā)展趨勢。這種技術(shù)可以減少中間環(huán)節(jié)帶來的能量損失和機械故障，提高系統(tǒng)的整體效率和可靠性。隨著技術(shù)的不斷進步和市場的不斷需求，直驅(qū)技術(shù)將在電機驅(qū)動領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。
直驅(qū)電機的技術(shù)挑戰(zhàn)與探索
直驅(qū)電機在市場應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。根據(jù)經(jīng)典電機設(shè)計理論，當電機的功率和轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)時，電機的輸出轉(zhuǎn)矩與其體積大致成正比。為滿足低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)電機的運行需求，需要增加電機的極對數(shù)，但這會導(dǎo)致電機槽數(shù)、繞組極數(shù)和永磁體極數(shù)過多，進而造成電機體積變大、成本增高，從而限制了直驅(qū)電機的應(yīng)用范圍。
然而，同軸式磁性齒輪的提出為低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機的設(shè)計開辟了提供了新的思路。通過運用磁性齒輪的“磁場調(diào)制原理”進行創(chuàng)新設(shè)計，衍生出多種具有高功率密度的新型電機拓撲結(jié)構(gòu)，即磁場調(diào)制型永磁電機。不僅實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的降速和轉(zhuǎn)矩提升，同時解決了齒輪箱和直驅(qū)技術(shù)中存在的問題，并具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、高功率/轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)點，在低速大轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用場景中展現(xiàn)出卓越的前景。
針對磁場調(diào)制電機國內(nèi)外各大院校及研究機構(gòu)盡管取得了許多成果，但在技術(shù)落地、產(chǎn)品化、市場化方面仍然處于初級階段。這主要歸咎于以下幾個關(guān)鍵因素：
1、結(jié)構(gòu)復(fù)雜：磁場調(diào)制電機結(jié)構(gòu)較普通電機復(fù)雜，如磁齒輪電機由于其結(jié)構(gòu)中存在調(diào)磁塊，在電機實際的加工、裝配和運行安裝過程中面臨諸多困難；
2、原理與實際偏差：在電機設(shè)計過程中，根據(jù)原理常常會忽略氣隙長度限制和繞組端部距離等實際工程工藝問題，導(dǎo)致樣機的實際性能低于理論設(shè)計值，優(yōu)勢不明顯；
3、成本增加：為了提高某些新構(gòu)型磁場調(diào)制電機的性能，設(shè)計時會增加永磁體的用量，這不僅增加了物料成本，還降低了產(chǎn)品的性價比，從而影響了市場推廣和應(yīng)用；
4、控制算法優(yōu)化：磁場調(diào)制電機與常規(guī)永磁電機的工作原理不同，它是基于磁齒輪效應(yīng)運行并利用氣隙中的多種磁場諧波成分產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在多種諧波磁場的協(xié)同下，電機的平均轉(zhuǎn)矩得到極大提升。但也造成了磁場調(diào)制電機與傳統(tǒng)永磁電機設(shè)計的主流控制方式無法直接匹配，需要專門進行優(yōu)化。
為了拓展直驅(qū)電機的更多應(yīng)用場景，本末科技技術(shù)預(yù)研團隊一直致力于挑戰(zhàn)當前的技術(shù)難題，持續(xù)的技術(shù)攻關(guān)、優(yōu)化并推動創(chuàng)新。在通過對電磁方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計的多次迭代與優(yōu)化，成功推出一款具有更高轉(zhuǎn)矩密度、工藝簡單且可量產(chǎn)的磁場調(diào)制永磁電機方案。
本末科技磁場調(diào)制永磁電機創(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長的問題。同時，轉(zhuǎn)子部分采用外轉(zhuǎn)子表貼式結(jié)構(gòu)（如圖2），實現(xiàn)了3.8:1的磁場減速比，相較于傳統(tǒng)永磁電機顯著提高了電機的轉(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)
為了進一步提升電機的轉(zhuǎn)矩密度，本末科技技術(shù)預(yù)研團隊經(jīng)過持續(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）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)新與實際應(yīng)用相結(jié)合。
圖3 磁力線分布對比圖
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，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），這不僅減少無用諧波含量，有助于降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動，還降低了鐵耗，提升了電機效率。
圖4 Halbach陣列磁場調(diào)制電機空載反電動勢圖
理想狀態(tài)的海爾貝克陣列永磁體結(jié)構(gòu)是整個圓環(huán)形永磁體的充磁方向沿周向連續(xù)變化，但是在實際制造中難以實現(xiàn)，為了平衡性能和制造工藝的矛盾，本末科技技術(shù)預(yù)研團隊將圓環(huán)形永磁體等分成幾何形狀一致的扇形離散磁塊，通過每塊磁塊不同的充磁方向拼接成一個圓環(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)新與實際應(yīng)用相結(jié)合的方案。
圖5 Halbach陣列磁場調(diào)制電機
本末科技技術(shù)預(yù)研團隊不僅在電機結(jié)構(gòu)設(shè)計上取得了重大突破，同時采用先進的FOC矢量控制方式、并通過不斷優(yōu)化算法提升性能，包括：三電阻采樣實現(xiàn)三相電流靈活運算；單周期獲取轉(zhuǎn)子位置，磁編碼器轉(zhuǎn)子角度線性度補償算法；磁編碼器零位偏移量、電壓電流超前角、相電流死區(qū)補償算法；諧波注入算法等。在安全方面，團隊使用相電流、母線電流、溫度等多種方式進行保護，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、匯編等技術(shù)，使控制更加簡潔高效。
在技術(shù)驗證和樣品測試上，海爾貝克陣列磁場調(diào)制電機展現(xiàn)出卓越性能，其轉(zhuǎn)矩密度相比傳統(tǒng)永磁電機提升了1.5倍以上（如圖6、圖7、圖8，在24VDC、同體積電機測試條件下），最大轉(zhuǎn)矩達到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%），電機工作電壓范圍為14.4～60VDC。這一顯著優(yōu)勢使得該電機方案能夠賦能設(shè)備應(yīng)對更復(fù)雜、更苛刻的工作環(huán)境。此外，該電機方案還能幫助減小設(shè)備體積和重量，進而降低生產(chǎn)成本和維護成本。這款磁場調(diào)制永磁電機憑借其高性能特點可適配更多設(shè)備，并拓展出更多應(yīng)用場景。
圖6 24VDC時Halbach陣列磁場調(diào)制電機性能曲線圖
圖7 24VDC時傳統(tǒng)永磁電機性能曲線圖
圖8 Halbach陣列磁場調(diào)制電機外形尺寸圖
本末科技作為一家市場導(dǎo)向型的科技型公司，擁有從傳感器、驅(qū)動器到電機本體的全套設(shè)計生產(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)擁有超過百人的研發(fā)團隊。為了更好引領(lǐng)直驅(qū)電機技術(shù)未來發(fā)展，在2023年初本末科技專門成立了技術(shù)預(yù)研團隊，在電機的拓撲設(shè)計和算法上不斷探索，目前在軸向磁通電機、磁場調(diào)制型的游標電機、磁場調(diào)制型的磁齒輪電機、內(nèi)置式永磁體外轉(zhuǎn)子永磁電機等新構(gòu)型設(shè)計上進行了技術(shù)驗證和持續(xù)迭代優(yōu)化，并取得了累累碩果。本末科技希望通過技術(shù)投入在新興永磁電機市場對國外電機企業(yè)實現(xiàn)彎道超車，賦能家用機器人、工商用機器人、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)端的強大轉(zhuǎn)化能力，例如最新的磁場調(diào)制永磁電機的設(shè)計方案，公司已經(jīng)申請了“基于海爾貝克陣列的充磁結(jié)構(gòu)及電機”和“分布式繞組及磁場調(diào)制電機”等十余項專利，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，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)展提供不竭動力，實現(xiàn)“直接驅(qū)動世界”的品牌愿景。
