大型礦用永磁直驅(qū)電機(jī)設(shè)計(jì)及鐵損分析

(中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西永濟(jì) 044502)

0 引言

直驅(qū)技術(shù)是指新型電機(jī)直接耦合或者連接負(fù)載從而驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。在礦山機(jī)械中，如帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、球磨機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)均為低速大轉(zhuǎn)矩。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)液力耦合器，減速器將動(dòng)力傳送給負(fù)載。采用直驅(qū)技術(shù)由直驅(qū)電機(jī)與負(fù)載直連實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，去掉了中間環(huán)節(jié)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高效、節(jié)能；免維護(hù)、低噪音；輸出轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)平穩(wěn)；結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

作為直驅(qū)系統(tǒng)中的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)設(shè)備采用永磁同步電動(dòng)機(jī)，相比于同功率的異步電機(jī)，具有功率密度大、重量輕、效率與功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。此外，永磁電機(jī)易被設(shè)計(jì)成多極結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的直接驅(qū)動(dòng)。

本文以1000kW 65r/min 1140V大型礦用永磁直驅(qū)電機(jī)為例，在空載、額定工況下，對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩、氣隙磁密、反電勢(shì)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩等主要性能進(jìn)行電磁計(jì)算并介紹電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；通過(guò)銅損和鐵損分析電機(jī)損耗。

1 大型礦用永磁直驅(qū)電機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)設(shè)計(jì)

低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)主要集中在定子繞組排布、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、齒槽轉(zhuǎn)矩抑制、齒諧波消除等幾個(gè)方面。

定子繞組采用分?jǐn)?shù)槽排布。與整數(shù)槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)相比，分?jǐn)?shù)槽齒槽轉(zhuǎn)矩幅值小，有利于減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高控制的精度；還增加了繞組的分布效應(yīng)，改善了電機(jī)感應(yīng)反電勢(shì)的正弦性；在一定程度上消除諧波。

永磁電機(jī)按永磁體激勵(lì)的方向可分為切向式、徑向式和混合式。此次電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)采用切向式。永磁體提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度是與其勵(lì)磁面積相關(guān)。切向式在一個(gè)極下的磁通由相鄰兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，可以獲得更大的勵(lì)磁面積，因此切向式磁極非常適合于永磁直驅(qū)電機(jī)。

故此次電機(jī)設(shè)計(jì)采用分?jǐn)?shù)槽和切向式轉(zhuǎn)子磁路，雙層硬繞組結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子氣隙為3mm。

本方案采用分?jǐn)?shù)槽繞組(q=b+c/d=N/D，其中D≠1，N和D沒(méi)有公約數(shù))，其基波和ν諧波的分布系數(shù)為

(1)

(2)

基波和ν諧波的短距系數(shù)為

(3)

(4)

式中，z—定子槽數(shù)；y1—線(xiàn)圈節(jié)距。

kdp是繞組系數(shù)，為分布系數(shù)和短距系數(shù)的乘積。kdpν為對(duì)應(yīng)諧波的繞組系數(shù)。

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)繞組不通電時(shí)永磁體和定子鐵心之間的相互作力的切向分量的波動(dòng)引起的。齒槽轉(zhuǎn)矩定義為電機(jī)不通電時(shí)的磁場(chǎng)能量W相相對(duì)于位置角α的負(fù)導(dǎo)數(shù)，其表達(dá)式為

(5)

式中，α—某一個(gè)指定的定子齒中心線(xiàn)和某一個(gè)指定的永磁體磁極中心線(xiàn)之間的夾角；La—定子鐵心的軸向長(zhǎng)度；R1,R2—定子鐵心外徑和定子軛內(nèi)徑；P—極對(duì)數(shù)；n—使nz/(2p)為整數(shù)的整數(shù)；Gn—與定子槽形相關(guān)的參數(shù)；Brnz/(2p)—與轉(zhuǎn)子永磁磁極相關(guān)的參數(shù)。

在定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置變化一個(gè)齒距內(nèi)，齒槽轉(zhuǎn)矩變化取決于電樞槽數(shù)和極數(shù)的組合，齒槽轉(zhuǎn)矩的周期數(shù)是使nz/(2p)為整數(shù)的最小整數(shù)n。其周期數(shù)n和槽數(shù)z均與Brnz/(2p)成反比，即n和z越大，對(duì)應(yīng)的Brnz/(2p)越小，齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值越小。故通過(guò)選擇合適的極槽配合來(lái)抑制電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，就是選擇合適的電機(jī)極數(shù)與槽數(shù)之間的最小公倍數(shù)，并選擇的極槽配合的最小公倍數(shù)越大，齒槽轉(zhuǎn)矩的基波周期數(shù)越多，進(jìn)而齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值越小。

為得到永磁電機(jī)準(zhǔn)確的性能參數(shù)，對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行有限元分析。圖1、圖2可看出電機(jī)電動(dòng)勢(shì)呈正弦波，空載反電勢(shì)有效值為1057V。空載反電勢(shì)對(duì)電機(jī)的功率因數(shù)影響很大，其決定永磁電機(jī)是增磁還是去磁狀態(tài)。圖3為電機(jī)空載氣隙磁密1.58T。由圖4分析得電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩147.26Nm，為額定轉(zhuǎn)矩的10%左右。圖5為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。電機(jī)在額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠平穩(wěn)運(yùn)行，滿(mǎn)足低速大轉(zhuǎn)矩的運(yùn)行工況，穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩值為149kNm，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為4.5%。

圖1空載反電勢(shì)波形圖(線(xiàn)電壓)

圖2反電勢(shì)(線(xiàn)電壓)傅里葉分析

圖3空載氣隙磁密

圖4齒槽轉(zhuǎn)矩

圖5負(fù)載轉(zhuǎn)矩

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電機(jī)隔爆外殼嚴(yán)格按照相關(guān)防爆標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行隔爆結(jié)合面和隔爆要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證電機(jī)滿(mǎn)足煤礦Ⅰ區(qū)含有甲烷和煤塵爆炸危險(xiǎn)的運(yùn)行環(huán)境。電機(jī)的冷卻方式為水冷，機(jī)座帶有冷卻水套。電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖6。

圖6電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

定子內(nèi)繞組端部安裝有溫度傳感器，用來(lái)監(jiān)控繞組溫度。為縮短電機(jī)軸向距離，通過(guò)導(dǎo)電環(huán)引出電纜線(xiàn)固定在接線(xiàn)盒內(nèi)。轉(zhuǎn)子磁極安裝在轉(zhuǎn)子支架上，在轉(zhuǎn)子磁極間裝有永磁體。軸承蓋和封環(huán)形成非接觸迷宮結(jié)構(gòu)，防止灰塵等進(jìn)入。

2 電機(jī)鐵損分析

對(duì)于低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)來(lái)說(shuō)，鐵心損耗不僅影響電機(jī)的效率，而且由于鐵心損耗分布的不均勻使鐵心的局部溫升較高，對(duì)永磁體的去磁也有很大影響。轉(zhuǎn)子磁極使用永磁體勵(lì)磁，氣隙磁密正弦程度較差，在鐵心中產(chǎn)生磁場(chǎng)的分布情況更加復(fù)雜，諧波損耗含量變多。通過(guò)仿真分析電機(jī)鐵損見(jiàn)圖7。

圖7負(fù)載下電機(jī)鐵損

由于低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的電源頻率較低，其對(duì)于電機(jī)鐵心損耗的影響程度較小，電機(jī)鐵心中的磁密是決定低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)鐵心損耗的關(guān)鍵因素。其中鐵心磁密中的諧波含量不僅直接影響了電機(jī)鐵損的大小，過(guò)多的諧波還會(huì)增大鐵心磁密的有效值，增大鐵損系數(shù)。此次設(shè)計(jì)通過(guò)分?jǐn)?shù)槽選擇合適的極槽配合來(lái)抑制鐵心中的諧波磁密，減少低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的鐵心損耗。

3 結(jié)語(yǔ)

電機(jī)電磁設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)槽和切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足低速大轉(zhuǎn)矩的運(yùn)行工況，機(jī)械結(jié)構(gòu)嚴(yán)格按照相關(guān)防爆標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用多種措施保證電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊和長(zhǎng)期在煤塵中運(yùn)行。通過(guò)電機(jī)鐵損計(jì)算分析得到電機(jī)鐵損值，對(duì)此類(lèi)電機(jī)高效節(jié)能不斷優(yōu)化具有借鑒意義。