矿用模块化组合式永磁电机研究

黄泽宇，赵志刚，王 森

（沈阳工程学院a.电力学院；b.自动化学院，辽宁 沈阳 110136）

矿用低速大功率永磁电机的定子模块采用单元组合结构，能够减少在定子装配、安装、运输以及后期维护中的许多缺陷。采用定子模块进行冗余功率控制，可以增强永磁电机的传动能力，提高电机的稳定性。当某个模块出现故障时，其他模块与转子结合也可以继续运行，能够大幅度降低维修成本。本文研究的模块化组合式永磁电机能够有效地减少低速大功率直驱领域的问题。在科学层面上，这种结构的变化会给电机带来一些分析、设计理论问题，也会带来定子单元数与电机极数、槽数及功率、转速等之间的基本规律问题。单元组合的结构设计、电磁设计、损耗及温度场等是要研究探讨的科学问题［1-3］。国内外对永磁同步电机的研究主要集中在效率的提升、噪音的降低、替换异步电机牵引系统、故障诊断方法、仿真研究、无刷直流电动机优化设计、实验研究、槽极匹配等方面［4-5］。目前对模块化低速永磁同步电机的结构研究比较少，关于静态及瞬态的性能分析也较少。国内外均对电机的分瓣、模块化制作进行了探索，但都只适用于集中绕组电机定子，对普遍采用双层叠绕组的电机却不适用［6］。

因此，提出了利用模块组合式定子的低速大功率同步电机的研究。此研究解决了煤炭生产中的急切需要，有现实意义与工程实际价值。

1 模块化组合式电机的结构及原理分析

矿用大功率模块化组合式低速直驱永磁电动机，可根据实际负载的需要投入不同数量的定子单元模块，实现系统性能与效率的最优化控制，提高系统的可靠性。图1 为模块化定子结构示意图。在多台电力电子电源联合供电条件下，如何保证系统运行的平稳性，以及投切的准确性和快速性是多变量、非线性、强耦合系统的综合控制策略问题。通过冗余功率优化控制技术，能够解决大功率直驱电机最优启动问题［7-8］。

图1 模块化定子结构

矿用模块化组合式永磁电机利用的是定子模块结构，在某一单元发生问题时，其他模块可以随时投切，增大负载范围，减少“大马拉小车”的情况出现，继而增强永磁同步电机的稳定性与可靠性。定子可以在转子装配完成后，采用外部拼装组成，解决了电机定转子装配和拆卸的难题。基于Solidworks 建立矿用模块化永磁电机的3D 模型，图2为模块化永磁电机的整体结构［9］。

图2 模块化永磁电机结构

根据电机不同极数、每极每相槽数和实际需要，适当选择定子单元数量。本文研究的模块化组合式电机的主驱动电机采用200 kW 级多模块化组合式电机，其结构及原理与一般的电机有差异，图3 为传统电机结构示意图。通过电机学原理可知：电机的极对数可与并联的支路数一致，感应电动机能够支出较多的输出端子，将多台低压变频器并联为负载供电。图4为10支路低压变频器示意图，模块数量与输出的端子接线排相关，通过电机学原理可知，模块可以根据系统的需求设计成相同特性的模块或者不同特性的模块，多个模块可以匹配出不同的外特性［10］。

图3 传统电机结构

图4 10支路低压变频器

2 不等跨距绕组结构研究

实现矿用大功率模块组合式低速直驱永磁电动机机电解耦，应利用不等跨距绕组与大线圈、小线圈反向嵌套的方法。令相邻定子单元能够完成机械解耦，从而极大增强电机装配和维护的灵活性，提高电机系统的整体可靠性。本文利用增量与解析的方法分别对定子模块大跨距线圈及小跨距线圈的节距进行计算。图5为不等跨距线圈结构示意图［11］。

图5 不等跨距绕组结构

对于大跨距线圈节距：

对于小跨距线圈节距：

由于采用的绕组为非常规绕组，传统永磁电机的数学模型已不适用。另外，定子模块之间存在空隙，影响模块间的互感，因此本文基于不等跨距绕组建立数学模型方程。

1）定子单元内的互感计算

针对各模块间不等跨距绕组的位置，能够得到下列关系式：

相邻之间的互感系数要大于隔相的互感系数：

绕组的互感系数二次分量与恒定分量相等，即

根据有限元分析法可得到与上述分析一致的结论。从图6 中可以看出：相邻电感的互感系数大于隔相的互感系数，紧邻绕组的互感系数数值相等，相位不同。

图6 有限元分析互感系数

2）定子模块间的互感计算

模块间的互感矩阵具有一定的普遍性，以2 个模块举例，多个模块以此类推。所处位置一致的模块电机绕组的二次及恒定分量对应相同，2 个模块的元素可通过下式表示：

3 电磁场仿真

有限元分析仿真步骤如下：

1）导入/修改/建立几何模型；

2）定义/修改材料参数、载荷及边界条件；

3）划分网格并生成有限元模型；

4）检查模型；

5）进行分析计算；

6）后处理；

7）输出分析报告。

利用麦克斯韦方程在计算机上进行仿真研究。本文设计研制200 kW 感应电机作为样机，因本课题研究背景为矿用，所以研制的样机为多极少槽的电机，可以减小转速，提高转矩。模拟样机的主要设计数据如表1所示。

表1 样机主要设计数据

表1 （续）

图7 为矿用模块化组合式电机在全部支路下的磁力线分布图，从图中可清楚地看到电机的极数，而且电机内的磁力线是对称分布的。

图7 磁场分布

从上述的结果可以看出：磁场大小合理，分布均匀，从而验证了在Ansys 软件中进行的电磁场仿真模型是正确的。

4 额定负载下温度场仿真分析

本文基于MotorCAD 建立矿用模块化组合式永磁电机温度场和低速感应电机等效热路模型。按照电机的不同零部件，将电机分为不同的热源节点、温度节点、传导热阻、对流热阻、热容等，并按照相应的次序将各个节点和热阻连接，构成高速感应电机的等效热路模型。图8和图9分别为电机的轴向和径向等效热路模型。

图8 电机轴向等效热路模型

图9 电机径向等效热路模型

本文利用MotorCAD 软件建立的220 kW 热路模型电路如图10所示，热阻的颜色与图中各电机部件颜色相对应，电机的热路模型主要包括热容、热阻及热源3部分。根据矿用模块化组合式低速电机的结构画出电机的热路模型，进而对其模型进行分析，得到电机稳态运行的温度曲线，如图11所示。

图10 等效热路模型电路

从图11 可以看出：定子轭部的温度最高，其次是绕组、定子铁心及机壳。定子轭部的最高温度为119 ℃，平均温度符合电机的温升要求，验证了电机设计的可靠性与温升的稳定性。

图11 稳态温度曲线

5 结语

针对矿用电机设计、运输及安装的问题，本文基于煤炭背景，设计了矿用模块化组合式永磁电机，将其定子进行模块化划分，当某一模块出现故障时，其他模块也可独立运行，解决了维修难的问题。同时，提出了采用不等跨距绕组实现电气以及机械双重解耦，并利用Ansys 和MotorCAD 分别对电磁场及永磁电机温度场进行仿真，验证了电机的可靠性。