新型永磁同步頂驅電機設計與研究

王云洪 張國平 陳起旭

（(中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢430064）

0 引言

海洋石油天然氣是石油行業的未來，而海洋石油的開采離不開頂驅等相關設備。由于工作環境惡劣，對設備的可靠性要求高等因素，目前，我國使用的頂驅電機基本是從國外進口。因此，研發滿足工況的頂驅電機，提高該領域產品的國產化率，降低成本非常迫切。

目前所用頂驅電機主要為異步電動機，存在電機性能和工作工況不吻合、絕緣壽命低等問題，嚴重影響了開采的進度和效率，需要一種滿足頂驅設備工況、具備較長絕緣壽命的電機來替代現有電機。

本文根據頂驅電機實際工況出現的問題，研究了新型永磁同步電動機[1,2,4]。如圖 1 所示，該電機采用最優的電磁設計方案，使電機性能滿足頂驅電機特定的工況，緊湊的結構設計、獨特的冷卻系統，解決了工作環境中因鹽霧對電機繞組絕緣破壞的問題，滿足了實際惡劣的工作環境。

圖1 頂驅電機圖

1 設計原理

1) 采用弱磁調速原理滿足恒功率性能要求；

2) 采用緊湊的結構設計，以滿足現場安裝；

3) 采用定子軛部開孔通風的冷卻方式，避免冷卻空氣中的鹽霧對繞組的破壞。

主要技術指標：

額定功率：257 kW；額定電壓 600 V；額定工作頻率60 Hz；工作頻率范圍0-120 Hz；最高恒功轉速2400 r/min；額定效率>95 % 。

2 設計過程

2.1 永磁同步電動機電磁設計

2.1.1 電機主要尺寸的確定

1) 極數：6極

2) 定子槽數及槽型：54槽，平行槽

3) 轉子磁鋼：內置式V形

4) 定子沖片及鐵心尺寸

定子沖片圖如圖2所示。

圖2 定子沖片圖

5) 定子繞組采用短距波形繞組，8/9跨接，3相星形聯結。

2.1.2 電機電磁場仿真

主要仿真了電機空載特性和負載特性[6]，其中磁鋼hcc=890100 A/m，Br=1.116 T。

1) 計算空載磁密分布如圖3所示

圖3 空載磁密云圖

2) 加載幅值為400 A的三相正弦電流時，計算負載磁密分布如圖4所示

3）弱磁調速計算

轉速變為2400轉，保持電流不變，控制電流超前導通70°，轉矩波形如圖5所示，平均值為1020 N·m。

從結果中可以看出 內功率因數角為 70°時，電磁轉矩平均值為1020 N·m，約等于額定轉矩除以2，轉速為額定轉速2倍，功率基本不變。所以認為可以弱磁調速到2400 rpm。

圖4 負載磁密云圖

圖5 內功率因數角為70°的轉矩波形

2.2 永磁同步電動機結構設計

電機結構見圖 6，其中：風機電動機-1，風機-2，盤剎支架-3，風箱-4，進風口-5，密封橡膠-6，電機定子-7，電機轉子-8，出風口-9。

圖6 永磁同步電動機結構圖

風機電動機1和風機2通過盤剎支架3固定在電機上。風機電動機1帶動風機2，將冷卻空氣吸入風箱4；冷卻空氣從進風口5進入，被密封橡膠6堵住不能進入電機內部，只能通過電機定子7的通風孔，然后從出風口9流出。電機工作時，冷卻空氣只經過密封橡膠6和電機定子7的軛部，將定子繞組的熱量帶走而不會接觸到電機繞組。當環境很惡劣，如空氣鹽霧和水分含量很高時，冷卻空氣通過電機時不會對電機繞組絕緣產生破壞。

下面是電機結構場仿真。主要校核了轉子的強度及應力、位移分布[3,5]。其中轉子部分因周期對稱性，只考慮了1/6模型。

轉子主要參數及工況：

硅鋼片彈性模量2.1E11 Pa，泊松比0.27，永磁體彈性模量1.13E11 Pa，泊松比0.23，轉速按最高轉速2400 r/min來考慮。

計算轉子節點合位移，如圖7所示。其中合位移最大值為0.00576 mm，發生在兩塊永磁體之間的轉子鐵心的外圓周部分，若不考慮轉子部分相對于定子部分的偏心，遠遠小于0.1倍的氣隙。

圖7 節點合位移USUM圖

計算等效應力，如圖8所示。其中最大等效應力為89.5 MPa，發生在隔磁橋部分，而硅鋼片的抗拉強度可達到340~440 MPa。通過分析合位移、等效應力均在許應的范圍之內。

圖8 等效應力圖

2.3 永磁同步電動機通風冷卻設計

冷卻風通過繞組端部時，其中的鹽霧等會破壞繞組絕緣。在此，提出一種方案，讓冷卻風只通過電機鐵心，而不接觸到繞組，這樣，既可以散熱，又可以不破壞繞組絕緣。

在定子鐵心開通風孔，密封住定子繞組端部，使冷卻空氣從進風口進入，在通過定子鐵心通風孔，從出風口散發到空氣中。冷卻空氣含有大量的鹽霧，但沒有接觸到繞組，在帶走電機熱量的同時，沒有破壞繞組絕緣，大大提高了電機的使用壽命。

3 結論

在電機的研制過程中，遇到了很多技術難點，比如電機體積小、功率大、發熱嚴重；定子繞組端部安放空間小；繞組容易絕緣破壞等問題，得到了逐一攻克。

該電機采用無機座結構，大大縮小了體積和重量，符合工作環境尺寸安裝的要求。通過負載試驗表明，在轉速1200 r/min以下，該電機擁有良好的恒轉矩特性，滿足工況的需要。通過弱磁調速試驗表明，該電機有良好的調速性能，能夠達到兩倍的弱磁調速，達到設計的要求。采用獨特的強迫風冷結構，為不同冷卻方式的研究提供一種新的方向。通過發熱試驗表明，該電機發熱良好，符合F級絕緣溫升的要求。研制的樣機如圖9所示。

圖9 永磁同步電動機實物圖

對于低轉速運行而需要高轉矩輸出的使用環境，永磁電機有天然的優勢，該設計方法完全針對頂驅、提升機等工作環境惡劣、需要低速大扭矩的使用條件，對帶減速箱設備進行直驅替代也是該型電機的一個主要優勢。通過257 kW永磁同步電動機的研究表明：已掌握頂驅用 257 kW永磁同步電動機的關鍵技術，填補了國內空白，為下一步設計制造更高功率的同類型電機打下了堅實的基礎，具有很好的市場前景。

[1]王秀和. 永磁電機. 北京: 中國電力出版社, 2007.

[2]唐任遠 現代永磁電機理論與設計. 北京: 機械工業出版社, 1997.

[3]姜彤, 李殿起, 韓立. ANSYS在永磁電機轉子強度接觸有限元分析中的應用. 機械設計與制造,2008(11): 87~89.

[4]陳世坤. 電機設計. 北京: 機械工業出版社, 2000.

[5]龔曙光, 黃云清, 有限元分析與ANSYS APDL編程與高級應用. 北京: 機械工業出版社, 2009.

[6]NICOLA, BIANCHI. Electrical machine analysis using finite elements [M]. New York : Taylor&Francis Group Press, 2005.