某大容量立式同步電動(dòng)機(jī)電磁方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張 巍，張 宙

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

本文以國外某泵站項(xiàng)目大容量立式同步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，該電機(jī)為多極低速同步電機(jī)。電磁方案的設(shè)計(jì)中每極每相槽數(shù)q的選擇至關(guān)重要，可能會(huì)產(chǎn)生諧波引起電機(jī)發(fā)生振動(dòng)噪聲方面的問題，所以對(duì)電磁方案進(jìn)行諧波分析以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的計(jì)算是相當(dāng)必要的。項(xiàng)目從大型同步電動(dòng)機(jī)減小、削弱諧波以及諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)角度出發(fā)，對(duì)分?jǐn)?shù)槽和整數(shù)槽兩種方案進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，通過對(duì)比，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)選擇最優(yōu)方案提供依據(jù)。這些計(jì)算可以優(yōu)化大容量立式同步電動(dòng)機(jī)方案，選出更加合理的最終計(jì)算結(jié)果方案，為掌握MW級(jí)立式水泵用電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)和后期相關(guān)產(chǎn)品的研制，鞏固我公司在大容量立式同步電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)承接更多國外水利市場(chǎng)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目奠定基礎(chǔ)。

1 同步電動(dòng)機(jī)的有限元分析理論和前處理建模

在進(jìn)行有限元分析的時(shí)候，對(duì)電機(jī)做如下假設(shè)：

(1) 采用二維場(chǎng)模擬實(shí)際磁場(chǎng)，選用國際單位制，直角坐標(biāo)系。

(2) 不計(jì)交變磁場(chǎng)在導(dǎo)電材料中的渦流反應(yīng)，電機(jī)的磁場(chǎng)可作為非線性恒定磁場(chǎng)來處理。

(3) 忽略端部效應(yīng)，磁場(chǎng)沿軸向均勻分布，電流密度和磁矢位只有Z軸方向的分量，采用矢量磁位AZ求解。

(4) 鐵心里的磁導(dǎo)率是各向同性的。

(5) 電機(jī)外部磁場(chǎng)所占分量甚小，可以忽略，定子外表面圓周為零矢量位面。

電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分布，運(yùn)用有限元方法進(jìn)行分析，用矢量磁位A表述計(jì)算區(qū)域內(nèi)的二維電磁場(chǎng)問題時(shí)，需滿足如下邊值問題：

式中：Ω為求解區(qū)域；S1為定子外徑邊界條件；JZ為電流密度；μ為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率。

將上式轉(zhuǎn)化為變分極值問題，離散后得到矢量磁位AZ的非線性方程組，求解后得AZ數(shù)值解，即可確定電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)分布[1-2]。

根據(jù)以上假設(shè)條件，建立同步電動(dòng)機(jī)的二維有限元瞬態(tài)電磁場(chǎng)分析計(jì)算模型，并確定求解域及邊界。

電機(jī)模型較大，為了簡(jiǎn)化計(jì)算的工作量，采用單元電機(jī)建模。采用有限元法對(duì)所研制的目標(biāo)電機(jī)進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分。以定子節(jié)距Y=12方案為例，建模后分別定義電機(jī)各部分材料屬性及磁化曲線。定子沖片材料定義為高性能牌號(hào)無取向硅鋼片50W315，轉(zhuǎn)子磁極采用Q235磁極沖片疊壓而成，轉(zhuǎn)子磁軛材料定義為鑄鋼材料ZG230-450。建立的電機(jī)模型如圖1所示。

圖1 電機(jī)有限元分析模型

定義各部分材料屬性之后，設(shè)定相應(yīng)的邊界和激勵(lì)條件。對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行整體剖分，并對(duì)氣隙附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，得到最后計(jì)算區(qū)域剖分單元網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 電機(jī)模型的網(wǎng)格劃分

2 分?jǐn)?shù)槽繞組方案的電磁場(chǎng)計(jì)算驗(yàn)證

設(shè)計(jì)了28極的電磁方案，每極每相槽數(shù)q=4+1/2的分?jǐn)?shù)槽繞組，分?jǐn)?shù)槽繞組能很好地削弱高次諧波和齒諧波的影響[3]。初步確定了定子節(jié)距Y=11和Y=12兩個(gè)電機(jī)方案，通過有限元數(shù)值方法對(duì)同步電動(dòng)機(jī)兩個(gè)短距方案進(jìn)行電磁場(chǎng)的分析計(jì)算，驗(yàn)證其削弱5、7次諧波的效果。建立電機(jī)空載和負(fù)載分析的模型，在兩種工況下分析電機(jī)的諧波情況并計(jì)算負(fù)載工況下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)情況，為最終確定電機(jī)電磁方案提供有力的支持和驗(yàn)證，綜合考慮可以得到優(yōu)選方案。

2.1 分?jǐn)?shù)槽繞組同步電動(dòng)機(jī)方案的空載電磁場(chǎng)分析

當(dāng)定子節(jié)距Y=12時(shí)，設(shè)置同步電動(dòng)機(jī)在214.3 r/min下空載運(yùn)行，空載感應(yīng)電勢(shì)波形如圖3所示。

同時(shí)可以得到空載感應(yīng)電勢(shì)頻譜分析波形如圖4所示。

圖4 Y=12時(shí)空載感應(yīng)電勢(shì)頻譜分析

可以計(jì)算得到空載電勢(shì)的THD值為0.74%。

當(dāng)定子節(jié)距Y=11時(shí)，設(shè)置同步電動(dòng)機(jī)在214.3 r/min下空載運(yùn)行，空載感應(yīng)電勢(shì)波形如圖5所示。

圖5 Y=11時(shí)空載感應(yīng)電勢(shì)波形

同時(shí)可以得到空載感應(yīng)電勢(shì)頻譜分析波形如圖6所示。

圖6 Y=11時(shí)空載感應(yīng)電勢(shì)頻譜分析

可以計(jì)算得到空載電勢(shì)的THD值為0.44%。

2.2 分?jǐn)?shù)槽繞組同步電動(dòng)機(jī)方案的負(fù)載電磁場(chǎng)分析

當(dāng)定子節(jié)距Y=12時(shí)，設(shè)置同步電動(dòng)機(jī)為三相電壓源下恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載-1 782.548 kN·m下運(yùn)行，得到電磁轉(zhuǎn)矩的波形如圖7所示。

圖7 Y=12時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩波形

此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的峰峰值占額定轉(zhuǎn)矩的1.33%。同時(shí)可以得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩頻譜分析波形如圖8所示。

圖8 Y=12時(shí)負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩頻譜分析

當(dāng)定子節(jié)距Y=11時(shí)，設(shè)置同步電動(dòng)機(jī)為三相電壓源下恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載-1 782.548 kN·m下運(yùn)行，得到電磁轉(zhuǎn)矩的波形如圖9所示。

圖9 Y=11時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩波形

此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的峰峰值占額定轉(zhuǎn)矩的0.9%。同時(shí)可以得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩頻譜分析波形如圖10所示。

圖10 Y=11時(shí)負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩頻譜分析

2.3 不同方案的主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)以上方案列出主要計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 不同定子節(jié)距時(shí)電機(jī)主要性能結(jié)果比較

可見電機(jī)主要評(píng)估性能指標(biāo)皆滿足設(shè)計(jì)要求，分?jǐn)?shù)槽繞組很好地削弱了齒諧波的影響，兩個(gè)方案的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都比較小；同時(shí)，從定子節(jié)距Y=11時(shí)的空載電勢(shì)頻譜可以看出調(diào)整節(jié)距后的方案大大的弱了5、7次諧波的影響，對(duì)負(fù)載工況轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也有削弱作用。

3 整數(shù)槽繞組方案的電磁場(chǎng)計(jì)算驗(yàn)證及優(yōu)化

設(shè)計(jì)了26極的電磁方案，為每極每相槽數(shù)q=4的整數(shù)槽繞組。整數(shù)槽繞組一般存在齒諧波對(duì)電機(jī)性能影響較大的情況，需要調(diào)整轉(zhuǎn)子阻尼繞組節(jié)距來削弱齒諧波的影響，在原方案39.0 mm的基礎(chǔ)上初步確定了轉(zhuǎn)子阻尼節(jié)距41.5 mm和42.0 mm兩個(gè)電機(jī)方案，通過有限元數(shù)值方法對(duì)同步電動(dòng)機(jī)電磁場(chǎng)的分析計(jì)算，驗(yàn)證其削弱齒諧波的效果。

通過有限元計(jì)算，完成了阻尼節(jié)距為39.0 mm的初步方案空載和負(fù)載工況下反電勢(shì)分析，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等相關(guān)性能的計(jì)算。從分析結(jié)果可知轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，是齒諧波引起，無法通過短距分布消除影響。采用調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼條距的方法，計(jì)算了阻尼節(jié)距為41.5 mm的改進(jìn)方案性能，對(duì)原方案轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果明顯。后又同時(shí)進(jìn)行了阻尼節(jié)距為42.0 mm的方案，但由于t2/t1=0.907>0.9，考慮降低電機(jī)附加損耗，可知阻尼節(jié)距為41.5 mm(t2/t1=0.896)是最佳方案。三個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果相比較，主要性能如表2所示。

表2 不同阻尼條距時(shí)電機(jī)主要性能結(jié)果比較

4 結(jié)論

分別優(yōu)選分?jǐn)?shù)槽和整數(shù)槽最優(yōu)方案對(duì)比如表3所示。

表3 分?jǐn)?shù)槽和整數(shù)槽優(yōu)選方案主要性能結(jié)果比較

可見，電機(jī)選取轉(zhuǎn)子28極分?jǐn)?shù)槽繞組時(shí)，定子節(jié)距Y=11的方案減小了5、7次諧波的影響，空載電勢(shì)THD更小，同時(shí)由于分?jǐn)?shù)槽繞組能有效削弱齒諧波，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也很小，在本例中分?jǐn)?shù)槽每極每相槽數(shù)選擇為q=4+1/2同時(shí)還規(guī)避了次諧波的影響；電機(jī)選取轉(zhuǎn)子26極整數(shù)槽繞組時(shí)，可以避免次諧波的產(chǎn)生，并且通過調(diào)整轉(zhuǎn)子阻尼條距為41.5 mm時(shí)也可以大大削弱齒諧波，但從綜合情況來看，分?jǐn)?shù)槽方案更優(yōu)。

該項(xiàng)目完成了預(yù)定的目標(biāo)，說明采用依托有限元數(shù)值分析的電磁場(chǎng)計(jì)算方法可以應(yīng)用到其他同類電機(jī)的設(shè)計(jì)工作中，為最終確定電機(jī)電磁方案提供了有力的支持和驗(yàn)證，能大幅降低質(zhì)量問題的風(fēng)險(xiǎn)，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。