大型礦用永磁直驅電機設計及鐵損分析

(中車永濟電機有限公司，山西永濟 044502)

0 引言

直驅技術是指新型電機直接耦合或者連接負載從而驅動運行。在礦山機械中，如帶式輸送機、刮板輸送機、球磨機等動力系統均為低速大轉矩。傳統的驅動系統采用異步電動機經液力耦合器，減速器將動力傳送給負載。采用直驅技術由直驅電機與負載直連實現動力傳遞，去掉了中間環節，整個驅動系統具有高效、節能；免維護、低噪音；輸出轉矩大、啟動平穩；結構緊湊、體積小等優點。

作為直驅系統中的關鍵驅動設備采用永磁同步電動機，相比于同功率的異步電機，具有功率密度大、重量輕、效率與功率因數高等優點。此外，永磁電機易被設計成多極結構，實現低轉速的動力輸出，進而實現對負載的直接驅動。

本文以1000kW 65r/min 1140V大型礦用永磁直驅電機為例，在空載、額定工況下，對電機齒槽轉矩、氣隙磁密、反電勢和負載轉矩等主要性能進行電磁計算并介紹電機結構特點；通過銅損和鐵損分析電機損耗。

1 大型礦用永磁直驅電機設計

1.1 電機設計

低速大轉矩永磁直驅永磁電機設計主要集中在定子繞組排布、轉子結構、齒槽轉矩抑制、齒諧波消除等幾個方面。

定子繞組采用分數槽排布。與整數槽結構的電機相比，分數槽齒槽轉矩幅值小，有利于減小電機的轉矩脈動，提高控制的精度；還增加了繞組的分布效應，改善了電機感應反電勢的正弦性；在一定程度上消除諧波。

永磁電機按永磁體激勵的方向可分為切向式、徑向式和混合式。此次電機轉子磁路結構采用切向式。永磁體提供的磁場強度是與其勵磁面積相關。切向式在一個極下的磁通由相鄰兩個磁極并聯提供，可以獲得更大的勵磁面積，因此切向式磁極非常適合于永磁直驅電機。

故此次電機設計采用分數槽和切向式轉子磁路，雙層硬繞組結構，定轉子氣隙為3mm。

本方案采用分數槽繞組(q=b+c/d=N/D，其中D≠1，N和D沒有公約數)，其基波和ν諧波的分布系數為

(1)

(2)

基波和ν諧波的短距系數為

(3)

(4)

式中，z—定子槽數；y1—線圈節距。

kdp是繞組系數，為分布系數和短距系數的乘積。kdpν為對應諧波的繞組系數。

齒槽轉矩是永磁電機繞組不通電時永磁體和定子鐵心之間的相互作力的切向分量的波動引起的。齒槽轉矩定義為電機不通電時的磁場能量W相相對于位置角α的負導數，其表達式為

(5)

式中，α—某一個指定的定子齒中心線和某一個指定的永磁體磁極中心線之間的夾角；La—定子鐵心的軸向長度；R1,R2—定子鐵心外徑和定子軛內徑；P—極對數；n—使nz/(2p)為整數的整數；Gn—與定子槽形相關的參數；Brnz/(2p)—與轉子永磁磁極相關的參數。

在定轉子相對位置變化一個齒距內，齒槽轉矩變化取決于電樞槽數和極數的組合，齒槽轉矩的周期數是使nz/(2p)為整數的最小整數n。其周期數n和槽數z均與Brnz/(2p)成反比，即n和z越大，對應的Brnz/(2p)越小，齒槽轉矩的幅值越小。故通過選擇合適的極槽配合來抑制電機的齒槽轉矩，就是選擇合適的電機極數與槽數之間的最小公倍數，并選擇的極槽配合的最小公倍數越大，齒槽轉矩的基波周期數越多，進而齒槽轉矩的幅值越小。

為得到永磁電機準確的性能參數，對電機磁場進行有限元分析。圖1、圖2可看出電機電動勢呈正弦波，空載反電勢有效值為1057V。空載反電勢對電機的功率因數影響很大，其決定永磁電機是增磁還是去磁狀態。圖3為電機空載氣隙磁密1.58T。由圖4分析得電機齒槽轉矩147.26Nm，為額定轉矩的10%左右。圖5為負載轉矩。電機在額定負載轉矩下能夠平穩運行，滿足低速大轉矩的運行工況，穩定轉矩值為149kNm，轉矩脈動為4.5%。

圖1空載反電勢波形圖(線電壓)

圖2反電勢(線電壓)傅里葉分析

圖3空載氣隙磁密

圖4齒槽轉矩

圖5負載轉矩

1.2 結構特點

電機隔爆外殼嚴格按照相關防爆標準進行隔爆結合面和隔爆要求結構設計，保證電機滿足煤礦Ⅰ區含有甲烷和煤塵爆炸危險的運行環境。電機的冷卻方式為水冷，機座帶有冷卻水套。電機結構示意圖見圖6。

圖6電機結構示意圖

定子內繞組端部安裝有溫度傳感器，用來監控繞組溫度。為縮短電機軸向距離，通過導電環引出電纜線固定在接線盒內。轉子磁極安裝在轉子支架上，在轉子磁極間裝有永磁體。軸承蓋和封環形成非接觸迷宮結構，防止灰塵等進入。

2 電機鐵損分析

對于低速大轉矩永磁直驅電機來說，鐵心損耗不僅影響電機的效率，而且由于鐵心損耗分布的不均勻使鐵心的局部溫升較高，對永磁體的去磁也有很大影響。轉子磁極使用永磁體勵磁，氣隙磁密正弦程度較差，在鐵心中產生磁場的分布情況更加復雜，諧波損耗含量變多。通過仿真分析電機鐵損見圖7。

圖7負載下電機鐵損

由于低速大轉矩永磁直驅電機的電源頻率較低，其對于電機鐵心損耗的影響程度較小，電機鐵心中的磁密是決定低速大轉矩永磁直驅電機鐵心損耗的關鍵因素。其中鐵心磁密中的諧波含量不僅直接影響了電機鐵損的大小，過多的諧波還會增大鐵心磁密的有效值，增大鐵損系數。此次設計通過分數槽選擇合適的極槽配合來抑制鐵心中的諧波磁密，減少低速大轉矩永磁直驅電機的鐵心損耗。

3 結語

電機電磁設計分數槽和切向式轉子磁路結構，滿足低速大轉矩的運行工況，機械結構嚴格按照相關防爆標準進行設計，采用多種措施保證電機結構緊湊和長期在煤塵中運行。通過電機鐵損計算分析得到電機鐵損值，對此類電機高效節能不斷優化具有借鑒意義。