礦用永磁直驅(qū)電機(jī)損耗計(jì)算和分析

張狄林

(海裝武漢局，武漢430064)

礦用永磁直驅(qū)電機(jī)損耗計(jì)算和分析

張狄林

(海裝武漢局，武漢430064)

針對(duì)礦用永磁直驅(qū)電機(jī)的特點(diǎn)，以一臺(tái)500 kW 60 r/min 低速永磁直驅(qū)電機(jī)為例，提出集中整距多極少槽電機(jī)定子導(dǎo)體不同匝間損耗的差異性導(dǎo)致的發(fā)熱不均以及轉(zhuǎn)子磁鋼損耗極易被忽視容易引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重的問題，闡述了定子銅耗和轉(zhuǎn)子渦流損耗精確計(jì)算的重要性，通過仿真和溫度場計(jì)算驗(yàn)證了所提出觀點(diǎn)的正確性。最后，就如何減少定子銅耗和轉(zhuǎn)子渦流損耗提出了建議和措施

永磁直驅(qū) 分?jǐn)?shù)槽集中繞組 定子交流銅耗 轉(zhuǎn)子渦流損耗 轉(zhuǎn)子磁鋼損耗

0 引言

礦山機(jī)械如刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、提升機(jī)等傳動(dòng)系統(tǒng)均是低速大轉(zhuǎn)矩，目前該系統(tǒng)由大功率異步電動(dòng)機(jī)、減速器和液力偶合器等組成。由于減速器和液力偶合器的存在，使得傳動(dòng)系統(tǒng)效率較低且設(shè)備維護(hù)繁瑣。而直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)在滿足性能情況下可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，它取消了減速器和液力偶合器，通過與負(fù)載直聯(lián)，在滿足性能情況下可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，不需要機(jī)械減速機(jī)構(gòu)，使得傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)變得非常簡單，既減輕了日常維護(hù)工作，又提高了設(shè)備效率，系統(tǒng)可靠性也大為增加，越來越受到用戶的青睞和關(guān)注。

低速永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)本身具有的特點(diǎn)和要求，導(dǎo)致定子銅耗所占比例大，為了減少端部銅耗，電機(jī)設(shè)計(jì)為短粗形，極槽配合為多極少槽集中整距結(jié)構(gòu)。一方面，定子不同匝間導(dǎo)體交流銅耗差異大會(huì)引起發(fā)熱不均；另一方面，多極少槽集中整距電機(jī)低次諧波在轉(zhuǎn)子磁場中相互作用，引起轉(zhuǎn)子渦流損耗，特別是永磁體磁鋼本身也會(huì)產(chǎn)生損耗，即便是不大，如果不采取措施也會(huì)引起發(fā)熱嚴(yán)重和影響電機(jī)性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使永磁體失磁。

本文以一臺(tái)500 kW 60 r/min 1140 V低速永磁直驅(qū)電機(jī)為例（以下簡稱直驅(qū)電機(jī)），提出了集中整距多極少槽電機(jī)定子導(dǎo)體不同匝間損耗的差異性導(dǎo)致的發(fā)熱不均以及轉(zhuǎn)子磁鋼損耗極易被忽視容易引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重的問題，通過仿真和溫度場計(jì)算驗(yàn)證了所提出觀點(diǎn)的正確性。最后，就如何減少定子銅耗和轉(zhuǎn)子渦流損耗提出了建議和措施。

1 低速永磁直驅(qū)電動(dòng)設(shè)計(jì)和特性

1.1 電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和特性

礦用低速永磁直驅(qū)電機(jī)設(shè)計(jì)除了結(jié)構(gòu)上要嚴(yán)格按礦用防爆標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防爆配合面和結(jié)構(gòu)特殊設(shè)計(jì)外,電磁設(shè)計(jì)上與普通永磁電動(dòng)機(jī)存在一定的差異,主要體現(xiàn)在低速電機(jī)同時(shí)還要兼顧一定的高效率,導(dǎo)致定子銅耗所占比例大,為了減少端部銅耗，電機(jī)通常設(shè)計(jì)為短粗形，電機(jī)定子槽數(shù)不能太多,極槽配合一般采用多極少槽集中整距結(jié)構(gòu),而多極少槽定子軛部磁密較低,軛部可以設(shè)計(jì)到更短,鐵芯損耗會(huì)比常規(guī)永磁電機(jī)相對(duì)要小。為了到達(dá)輸出功率定子槽形一般都比較深，當(dāng)槽中導(dǎo)線通入交流電時(shí)，由于導(dǎo)線沿槽高截面部分的漏磁通匝鏈數(shù)不相等，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢不一樣，在導(dǎo)線內(nèi)部形成渦流。電流在導(dǎo)線截面上的分布不均勻，導(dǎo)線中的電流趨向于表面，產(chǎn)生集膚效應(yīng)越明顯，在成型硬線圈中導(dǎo)致導(dǎo)體不同匝間損耗差異性大引起發(fā)熱不均。

同時(shí)，多極少槽設(shè)計(jì)在帶來結(jié)構(gòu)緊湊，齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小的同時(shí)也導(dǎo)致定子諧波含量豐富，尤其是低次諧波會(huì)在轉(zhuǎn)子磁場中相互作用，引起轉(zhuǎn)子渦流損耗的增加，轉(zhuǎn)子磁鋼也會(huì)產(chǎn)生損耗，分析表明即便是很小的損耗，對(duì)低速電機(jī)而言，如果不采取措施會(huì)引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，甚至磁鋼退磁的惡果，這常常被人所忽視。所以，準(zhǔn)確計(jì)算定子銅耗和轉(zhuǎn)子渦流損耗對(duì)低速直驅(qū)電機(jī)而言，顯得尤為重要。

1.2 電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

本直驅(qū)電機(jī)采用80極96槽，定子槽為平行齒開口槽，轉(zhuǎn)子軛部采用疊片，水套機(jī)座結(jié)構(gòu)方案，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

2 損耗模型計(jì)算和分析

2.1 定子銅耗計(jì)算

圖1為直驅(qū)電機(jī)的有限元損耗計(jì)算模型，為了準(zhǔn)確計(jì)算定子通過將導(dǎo)體按實(shí)際匝數(shù)和截面進(jìn)行分匝建模，同時(shí)施加額定電流源給每個(gè)導(dǎo)體,同時(shí)注意對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行加密剖分，計(jì)算結(jié)果見圖2，圖3為定子直流銅耗計(jì)算結(jié)果，圖4為分匝定子導(dǎo)體電流密度局部放大圖。

表1 電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 直驅(qū)電機(jī)損耗計(jì)算模型

圖2 負(fù)載下定子銅損耗

圖3 負(fù)載下定子直流銅耗

從圖2和圖3可以看出，負(fù)載下渦流損耗在直流銅損耗的基礎(chǔ)上增加了約4.41 kW,約占總損耗值的22.6%。

從圖4可以看出，出現(xiàn)局部電密過大，主要出現(xiàn)在離槽口最近的第一匝處，離槽口越遠(yuǎn)電密越小，主要原因是永磁體的漏磁力線切割導(dǎo)體，且主要集中第一匝導(dǎo)致的。

圖4 分匝定子導(dǎo)體電流密度局部放大圖

2.2 轉(zhuǎn)子磁鋼損耗計(jì)算

在負(fù)載條件下，永磁體進(jìn)行了網(wǎng)格加密，同時(shí)設(shè)置其電導(dǎo)率和施加電流源I=0,所計(jì)算出來永磁體磁鋼的渦流損耗見圖5。

圖5 負(fù)載下永磁磁鋼損耗曲線

3 溫度場計(jì)算和分析

鐵心和鐵心段繞組產(chǎn)生的損耗主要包含銅耗與鐵耗，通過熱傳導(dǎo)傳至機(jī)座。定子鐵心與水套機(jī)座采用熱套結(jié)構(gòu)，以增加傳熱效果。端部熱量經(jīng)過銅繞組傳至直線段，再通過定子鐵心傳走。

圖6為三維模型下的溫度分布圖，表2為導(dǎo)體直線段每匝繞組最高溫度分布值，圖7為磁鋼轉(zhuǎn)子磁鋼部位溫度分布。

從溫度場仿真計(jì)算可以看出：

1）定子繞組發(fā)熱不均勻性，定子繞組在溫度分布上存在一定的不均勻性。定子繞組溫度依次按槽口到槽底溫度降低，靠近槽口第一匝最大118.7℃，與槽底最低溫度89℃相差19.7℃，這與前面的分析是一致的。

圖6 總體溫度分布圖

圖7 為磁鋼轉(zhuǎn)子磁鋼部位溫度分布

表2 槽楔處定子直線段每匝繞組最高溫度分布

2）電機(jī)轉(zhuǎn)子磁體最高運(yùn)行溫度117.6℃,平均溫度108.8℃，為保證電機(jī)可以長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，永磁體計(jì)算點(diǎn)和材料牌號(hào)需要綜合考慮。需要指出的是磁體的最高溫度考慮了本電機(jī)轉(zhuǎn)子有風(fēng)扇冷卻的情況，若不考慮風(fēng)扇作用，轉(zhuǎn)子磁鋼的溫度將達(dá)156℃。

3）為了減少定子銅耗，除了選取較低的額定工作頻率和減少定子電阻外，合理選取導(dǎo)體截面和匝數(shù)，合理調(diào)整槽口高度，減少轉(zhuǎn)子漏磁力線切割第一匝導(dǎo)體，引起繞組發(fā)熱不均的程度。

4）為了減少轉(zhuǎn)子磁鋼損耗和發(fā)熱，轉(zhuǎn)子磁鋼可以采用分塊粘接后其值會(huì)減小。

4 結(jié)語

1）低速永磁直驅(qū)電機(jī)的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注集中整距多極少槽電機(jī)定子導(dǎo)體不同匝間損耗的差異性導(dǎo)致的發(fā)熱不均以及轉(zhuǎn)子磁鋼損耗極易被忽視容易引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重的問題。

2）為減少定子銅耗，除了選取較低的額定工作頻率和減少定子電阻外，合理選取導(dǎo)體截面和匝數(shù)，合理調(diào)整槽口高度，可有效減少導(dǎo)體不同匝間損耗差異引起的發(fā)熱不均。

3）為了減少轉(zhuǎn)子渦流損耗，一方面可以轉(zhuǎn)子軛部采用硅鋼片疊壓方式減少軛部損耗，另一方轉(zhuǎn)子磁鋼可以采用分塊粘接方式來減少磁鋼損耗。

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[5] 李建東. 低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 防爆電機(jī), 2011, (4).

Loss Calculation and Analysis of Mine Permanent Magnet Direct-Driven Motor

Zhang Dilin

(Naval Representatives Office of Naval Armaments Department in Wuhan, Wuhan430064, China)

Based on the characteristics of the mine permanent magnet direct-driven motor, and taking a 500 kW 60 r/min low speed permanent magnet direct-driven motor as an example, this paper presents that the different between difference stator conductor turns loss of multi-polar few slot motor and the rotor magnet loss, which are not uniform and easily overlooked, will be caused to serious temperature rise. The importance of calculation of stator copper loss and rotor eddy current loss is expounded, and the correctness of the viewpoint is developed by the simulation and temperature field calculation. Finally, some suggestions and measures on how to reduce stator copper loss and rotor eddy current loss are proposed.

permanent magnet direct-driven; fractional slot concentrated winding

TM351

A

1003-4862（2016）12-0046-03

2016-09-51

張狄林（1968-），男，高級(jí)工程師。研究方向：電氣工程。