矿用大功率永磁同步直驱变频一体机的研究综述

宋承林，张鸿波

（青岛中加特电气股份有限公司，山东 青岛 266000）

0 引言

随着煤矿自动化技术的发展，变频调速技术在煤矿中广泛使用，现阶段矿井带式输送机原煤运输系统、综采工作面胶带输送系统大多采用变频调速、异步电动机驱动方式。异步电动机驱动装置需要设减速机、高低速联轴器等，降低了系统总体的效率，增加了设备的维护成本，占用了设备的安装空间，而且变频装置和电机分离布置的方式存在长距离供电电缆分布电感和分布电容，变频器输出高频信号时，对感抗高的电机绝缘寿命有影响，电动机端头电压大幅升高，需要有加强的绝缘结构来适应非正弦波的电压，同时必须缩短供电电缆长度，以降低对电机绝缘的危害。除此以外，变频调速产生的电动机轴电流直接危害电动机的轴承，轴承电流会使轴承表面产生点蚀，最终导致轴承早期损害，影响设备正常运行，因而需要对轴承绝缘采取技术措施保证电机长期正常运行。另外还存在电动机质量良莠不齐，变频驱动容易烧毁电机等问题。为了解决这些问题，需要将变频器和电动机两者进行更好的结合，简化或减掉原减速机系统，以实现电机直驱，由此大功率大扭矩的永磁直驱变频一体机应运而生。

文中设计了一款1 140 V/500 kW/75 rpm的大功率永磁直驱变频一体机，主要对一体机的结构设计、电磁设计、主控单元设计的关键问题和技术进行了分析，并使用ANSYS有限元进行了分析优化，验证其优越性。

1 永磁同步一体机结构设计

采用变频器与永磁同步电机一体化的设计思路，打破了常规意义上的电机与变频器独立设计、后期集成的弊端。同时由于体积较小，空间有限，对于一体机的结构设计提出了新的要求。主要结构设计包括：壳体结构设计、电机绝缘轴承设计、防爆结构设计、水冷结构设计。

1.1 壳体结构设计

主要问题：永磁同步直驱变频一体机结构设计的主要问题在于，在满足电磁兼容的基础上如何在狭小安装空间内合理安排器件，需要尽可能缩小结构体积。把三维建模技术引入到电气设备设计中来，对关键电子器件进行三维设计，从零件图到装配图进行结构设计，在设计中充分考虑强弱电系统间的电磁干扰问题及电磁屏蔽手段，进行结构的优化设计。应用层叠母线技术，用宽平正负母线极板把功率模块与滤波电容直接连接起来，使寄生电感更小，有效切断功率母线对控制电路的干扰。

采用的结构形式：经过调研国内外同类产品的技术发展现状和胶带输送设备的使用和安装条件，确定采用如图1的外形结构。为保证通用性和互换性，电机部分产品外形和相关尺寸基本与同类产品一致。右边为变频和控制单元，左边为电动机。

1.2 电机绝缘轴承设计

轴电流的影响：轴电流问题对于较大功率的由变频供电的电机（如100 kW以上）较为突出。运行一段时间后，有些电机轴承磨损严重，先是产生不正常噪声，直至烧毁。经研究发现，当变频器输出高频分量较大时，轴电流密度可达每平方毫米数十安培，轴承电流严重。由于轴承的滚道上有可能存在凸出点，旋转时通过该处的轴承电流断开，从而引起电弧，灼伤金属表面，大量积累从而引起轴承的损坏。电机轴承如图2所示。

图1 永磁直驱同步变频一体机外形图

图2 电机轴承

解决的途径：克服轴电流最直接的途径，就是在电动机电磁设计时，将产生轴电流的影响因素进行抑制，如定转子冲片拼接方式、绕组串并联路数等，将轴电流尽可能降低；在进行结构设计时，将轴电流回路阻断或将引导轴电流，避免轴电流通过轴承等方式，取得抑制轴电流的作用。

绝缘轴承：在结构设计上，选用绝缘轴承结构，该结构包括外圈绝缘、内圈绝缘或滚柱绝缘，其轴承绝缘通常采用覆膜绝缘层或陶瓷球，优点是无需特殊设计，电机结构简单，在永磁直驱同步电机的一端使用绝缘轴承，将形成轴电流的回路切断。对于200 kW以上的电机采用轴承绝缘技术措施可以保证电机的可靠运行。

1.3 防爆结构设计

防爆型式：防爆是为防止点燃周围爆炸性混合物而对电气设备结构所采取特定的安全措施。我国井下常用的型式以隔爆型、增安型、本质安全型及混合型为主，本系统设计为隔爆兼本质安全型。

防爆结构：防爆系统除电气部分外，主要结构包括隔爆外壳及附在壳上的零部件，包括接线端子、电缆引入装置、本安键盘盒。隔爆外壳应具有耐爆和隔爆性能。为了实现隔爆外壳的耐爆和隔爆性能，对隔爆外壳的形状、材质、容积、结构均有特殊要求。对于防爆壳体的计算，将外壳的外壁简化为在整个板面上作用均布载荷，四边固定的等厚矩形板模型。根据《机械设计手册（第五版）》第一卷，材料力学计算，最大应力点发生在矩形长边的中心位置，最大挠度位置发生在板面中心位置。

板面中心最大弯曲应力：

式中：α、β—矩形的长、宽比值系数；σmax—中心应力（最大应力）；q—载荷（试验压力）；b—矩形板宽度；t—矩形板厚度；E—材料的弹性模量。

外壳壁厚度：在不加加强筋的情况下，矩形外壳壁厚度可根据下式得出：

1.4 水冷结构设计

为了使一体机内部电力电子器件以及电机温升在正常工作范围内，提高一体机的稳定性和可靠性，文中在一般的水冷结构基础上进行了改进和优化，并且针对电机和变频器的损耗所造成的温升问题进行了具体分析，证明了方案的可行性。

根据一体机各部分安装器件不同，形状不同，水道结构有所不同。文中设计的一体机水冷主要包括依次相连的电抗器水道、后端盖水道、水冷板水道、前端盖水道、电机机壳水道。

本设计将电机和变频器冷却结构的水道连通，节省了设备整体的体积，电抗器和水冷板设计为S形水道，冷却覆盖面积大，并且冷却水先从电抗器水道进入，满足了高发热量器件的散热，电机机壳水道为折返式水道，水道内的水阻小，保证了冷却水的流畅性。整体水道设计如图3所示。

图3 一体机水道结构图

2 变频一体机主控系统

主控系统是永磁同步一体机的核心部分，包含变频系统和控制系统两部分，实现对永磁同步电机的精确控制。

2.1 变频系统设计

变频系统主要由主回路、控制面板、冷却系统及外围电路等几大部分组成。主回路的拓扑结构如图4所示。

图4 永磁同步变频一体机主电路拓扑原理图

主回路采用交-直-交的结构，包括整流器、中间直流环节、逆变器这3个环节。充电回路采用交流电源侧充电，充电电阻在变频器充电时限制直流回路的电流。当直流电压达到80%额定值时，主接触器吸合，充电电阻被旁路掉。为了降低控制难度，一体机整流部分采用了三相桥式不可控电路。在电源侧加装输入电抗器，提高电源的功率因数，减少因电流非正弦引起的谐波电流，从而降低电网电压的畸变程度。本系统采用电压源形结构，母线支撑电容实现中间环节的滤波，使其得到较为平滑的直流电压，并为输出提供能量支撑。

2.2 控制系统设计

控制系统主要包括控制单元、外围设备、驱动和保护电路、电源模块、故障检测模块等部分，系统的整体框架如图5所示，主要实现以下几个功能：实现变频电机的软启动和无极调速功能；对电动机特性的控制，包括V/F控制、矢量控制、直接转矩控制；变频器的加、减速，变频调速的启动、停机、变频器的直流制动以及频率的调节，启动时无冲击电流来实现调速电机重载时的顺利启动；频率的给定与相关功能，包括频率给定的方式与选择，模拟量给定的调整，载波频率的选择等；变频一体机的通信功能，本系统采用CAN总线、工业以太网等接口通讯方式，实现与上位机进行通讯和多台设备集中控制运行，还可将运行数据传送至地面调度室进行远程监控。

控制系统通过微处理器控制技术监控电机的电磁状态，配合矢量控制策略完成较好的无传感器电机控制，外加脉冲编码器反馈后，可以应用于精确的速度控制，或长期运行于接近零速区域的应用场合。控制模型框图如图6所示。

图5 永磁变频一体机变频与控制系统框图

图6 控制模型框图

测量的电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入，该模型每30μs产生一组精确的转矩和磁通的实际值。电机转矩比较器将转矩实际值与转矩给定调节器的给定值作比较，磁通比较器将磁通实际值与磁通给定调节器的给定值作比较。依靠来自这两个比较器输出的值，优化脉冲选择器决定逆变器的最佳开关状态。逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味着传动可以产生最佳的开关组合，并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。

3 电磁设计与仿真

利用ANSYS建立了仿真模型，采用时步有限元法对电机启动和运行性能进行仿真，并利用不考虑永磁体作用时的异步电机仿真结果验证了所设计电机的合理性。研究和优化设计电机不同极靴表面开槽个数、不同气隙长度、不同定子槽口宽度，控制对动态、稳态转速、转矩波动的影响。

永磁同步电机电磁设计分为定子磁路结构设计和转子磁路结构设计。因永磁同步电机结构上区别于异步电机之处主要在于转子结构，所以永磁电机设计一般主要集中于转子的。本电机采用内置径向式转子结构。永磁变频电机采用变频启动，转子铁心中无启动笼条，永磁体拓扑结构为内置“一”型永磁体，并对永磁体进行分段，把永磁体分成两段，增加隔磁桥，以更好地改善弱磁性能、减小纹波转矩。永磁体安装在转子铁心内部，其q轴电感大于d轴电感，采用这种转子磁路结构设计方式有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速，提高调速运行范围宽度。

在分析了多极少槽型电机绕组排列特点的基础上，采用槽电势星形图法，在电磁设计上选用了9∶8的槽、极配合，集中式绕组分数槽布局+内嵌式磁钢排列模式。利用时步有限元法，研究了不同极靴表面开槽个数、不同气隙长度、不同定子槽口宽度对动态、稳态转矩波动的影响，得出了设计参数对电机转矩影响的一般规律。并得出如下结论：极靴表面开小槽可以抑制稳态转矩波动；增大气隙对稳态转矩波动量具有削弱作用；稳态转矩波动量并非随定子槽口宽度的减小而减小。

根据电磁分析与计算，确定永磁同步电机主要设计参数如下：①额定功率：500 kW；②额定相电压：1 140 V；③额定频率：37.5 Hz；④额定转速：75 r/min；⑤额定转矩：63 667 N·m；⑥定子外径：1 600 mm，定子内径：1 300 mm，铁芯长：800 mm；⑦气隙长度：2.5 mm；⑧转子外径：1 295 mm，转子内径：900 mm，转子铁芯长度：800 mm。为保证设计结构，用目前通用的ANSYS电磁软件Maxwell进行原始设计仿真，磁场强度仿真分布如图7所示。对电机参数的仿真如图8所示。

仿真结果表明该设计具有较好的变频启动转矩特性，稳定性能好，能够适用于煤矿井下启动时大转矩情况，达到了预期的效果。

图7 磁场密度分布云图

图8 变频调速启动转矩特性曲线图

4 结语

矿用永磁同步直驱变频一体机具有体积小、效率高、稳定性好、抗干扰能力强、维护成本低等特点，能够实现重载情况下软启动，全自动恒功率调节，适用于矿井带式输送机等设备。大功率永磁同步直驱变频一体机是世界采矿设备发展的趋势，符合国家节能减排、符合“中国制造2025”创新驱动的基本方针，具有极高的社会经济效益和广阔推广应用前景。