大型矿用永磁直驱电机设计及铁损分析

2019-06-13

防爆电机 2019年3期

(中车永济电机有限公司，山西永济 044502)

0 引言

直驱技术是指新型电机直接耦合或者连接负载从而驱动运行。在矿山机械中，如带式输送机、刮板输送机、球磨机等动力系统均为低速大转矩。传统的驱动系统采用异步电动机经液力耦合器，减速器将动力传送给负载。采用直驱技术由直驱电机与负载直连实现动力传递，去掉了中间环节，整个驱动系统具有高效、节能；免维护、低噪音；输出转矩大、启动平稳；结构紧凑、体积小等优点。

作为直驱系统中的关键驱动设备采用永磁同步电动机，相比于同功率的异步电机，具有功率密度大、重量轻、效率与功率因数高等优点。此外，永磁电机易被设计成多极结构，实现低转速的动力输出，进而实现对负载的直接驱动。

本文以1000kW 65r/min 1140V大型矿用永磁直驱电机为例，在空载、额定工况下，对电机齿槽转矩、气隙磁密、反电势和负载转矩等主要性能进行电磁计算并介绍电机结构特点；通过铜损和铁损分析电机损耗。

1 大型矿用永磁直驱电机设计

1.1 电机设计

低速大转矩永磁直驱永磁电机设计主要集中在定子绕组排布、转子结构、齿槽转矩抑制、齿谐波消除等几个方面。

定子绕组采用分数槽排布。与整数槽结构的电机相比，分数槽齿槽转矩幅值小，有利于减小电机的转矩脉动，提高控制的精度；还增加了绕组的分布效应，改善了电机感应反电势的正弦性；在一定程度上消除谐波。

永磁电机按永磁体激励的方向可分为切向式、径向式和混合式。此次电机转子磁路结构采用切向式。永磁体提供的磁场强度是与其励磁面积相关。切向式在一个极下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可以获得更大的励磁面积，因此切向式磁极非常适合于永磁直驱电机。

故此次电机设计采用分数槽和切向式转子磁路，双层硬绕组结构，定转子气隙为3mm。

本方案采用分数槽绕组(q=b+c/d=N/D，其中D≠1，N和D没有公约数)，其基波和ν谐波的分布系数为

(1)

(2)

基波和ν谐波的短距系数为

(3)

(4)

式中，z—定子槽数；y1—线圈节距。

kdp是绕组系数，为分布系数和短距系数的乘积。kdpν为对应谐波的绕组系数。

齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和定子铁心之间的相互作力的切向分量的波动引起的。齿槽转矩定义为电机不通电时的磁场能量W相相对于位置角α的负导数，其表达式为

(5)

式中，α—某一个指定的定子齿中心线和某一个指定的永磁体磁极中心线之间的夹角；La—定子铁心的轴向长度；R1,R2—定子铁心外径和定子轭内径；P—极对数；n—使nz/(2p)为整数的整数；Gn—与定子槽形相关的参数；Brnz/(2p)—与转子永磁磁极相关的参数。

在定转子相对位置变化一个齿距内，齿槽转矩变化取决于电枢槽数和极数的组合，齿槽转矩的周期数是使nz/(2p)为整数的最小整数n。其周期数n和槽数z均与Brnz/(2p)成反比，即n和z越大，对应的Brnz/(2p)越小，齿槽转矩的幅值越小。故通过选择合适的极槽配合来抑制电机的齿槽转矩，就是选择合适的电机极数与槽数之间的最小公倍数，并选择的极槽配合的最小公倍数越大，齿槽转矩的基波周期数越多，进而齿槽转矩的幅值越小。

为得到永磁电机准确的性能参数，对电机磁场进行有限元分析。图1、图2可看出电机电动势呈正弦波，空载反电势有效值为1057V。空载反电势对电机的功率因数影响很大，其决定永磁电机是增磁还是去磁状态。图3为电机空载气隙磁密1.58T。由图4分析得电机齿槽转矩147.26Nm，为额定转矩的10%左右。图5为负载转矩。电机在额定负载转矩下能够平稳运行，满足低速大转矩的运行工况，稳定转矩值为149kNm，转矩脉动为4.5%。

图1空载反电势波形图(线电压)

图2反电势(线电压)傅里叶分析

图3空载气隙磁密

图4齿槽转矩

图5负载转矩

1.2 结构特点

电机隔爆外壳严格按照相关防爆标准进行隔爆结合面和隔爆要求结构设计，保证电机满足煤矿Ⅰ区含有甲烷和煤尘爆炸危险的运行环境。电机的冷却方式为水冷，机座带有冷却水套。电机结构示意图见图6。

图6电机结构示意图

定子内绕组端部安装有温度传感器，用来监控绕组温度。为缩短电机轴向距离，通过导电环引出电缆线固定在接线盒内。转子磁极安装在转子支架上，在转子磁极间装有永磁体。轴承盖和封环形成非接触迷宫结构，防止灰尘等进入。

2 电机铁损分析

对于低速大转矩永磁直驱电机来说，铁心损耗不仅影响电机的效率，而且由于铁心损耗分布的不均匀使铁心的局部温升较高，对永磁体的去磁也有很大影响。转子磁极使用永磁体励磁，气隙磁密正弦程度较差，在铁心中产生磁场的分布情况更加复杂，谐波损耗含量变多。通过仿真分析电机铁损见图7。

图7负载下电机铁损

由于低速大转矩永磁直驱电机的电源频率较低，其对于电机铁心损耗的影响程度较小，电机铁心中的磁密是决定低速大转矩永磁直驱电机铁心损耗的关键因素。其中铁心磁密中的谐波含量不仅直接影响了电机铁损的大小，过多的谐波还会增大铁心磁密的有效值，增大铁损系数。此次设计通过分数槽选择合适的极槽配合来抑制铁心中的谐波磁密，减少低速大转矩永磁直驱电机的铁心损耗。