楊云峰李麗
(南車株洲電機(jī)有限公司，株洲 412001)
摘要：用Ansoft公司的Maxwell 2D模塊建市了后油鉆機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMsM)模型。通過電磁場(chǎng)有限元分析，得到了一組電流及磁密分布等的特性曲線，精確計(jì)算出電機(jī)性能參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；最后對(duì)優(yōu)化后的電機(jī)計(jì)算分析三相瞬態(tài)短路故障情況F PMsM的運(yùn)行特性，具有實(shí)際工程意義。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁場(chǎng)有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)0 引言永磁電機(jī)的性能、設(shè)t_制造特點(diǎn)和應(yīng)用范圍都與永磁材荊的性能密切相關(guān)。隨著稀土永磁材料的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)表現(xiàn)出高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。
石油鉆機(jī)PMSM為低速運(yùn)轉(zhuǎn)和重負(fù)載情況下的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，要求電機(jī)為多級(jí)的同步電動(dòng)機(jī)，它具有效率高、安裝和維護(hù)費(fèi)用低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著構(gòu)成永磁同步電動(dòng)機(jī)主要成本的永磁材料…、電力電子器件、微處理器價(jià)格的不斷下降，永磁同步電機(jī)應(yīng)用到民用領(lǐng)域的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，使得研究永磁同步電動(dòng)機(jī)成為當(dāng)代電氣傳動(dòng)的熱門方向之。
永磁同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)遇到脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩過大、局部失磁及磁南過飽和、功率密度偏低和磁等問題，分析這些問題需要借助電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法才能準(zhǔn)確分析。本文借助有限元軟件仿真分析討論石油鉆機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)****方案的研制，仿真結(jié)果表明電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)選取的合理性，為令后同類電機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)提供一種比較好的分析方法。
1電機(jī)設(shè)計(jì)分析
1．1軟件分析的必要性
由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的非線性特性關(guān)系，存電機(jī)運(yùn)行過程中必然有一些參數(shù)發(fā)生非線性變化，以傳統(tǒng)分析方式進(jìn)行磁路法求解會(huì)帶來很大的誤差，而且由于永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，其參數(shù)選取也很難JI傳統(tǒng)的磁路計(jì)算方法來獲得。．&nson公司推出的Maxwell 2D軟件不儀具有完善的靜態(tài)、瞬態(tài)電磁場(chǎng)分析功能，而且還具有強(qiáng)大的后處理功能，這就為永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)提供一種方便、快捷的設(shè)計(jì)途徑[2]。圖1為石油鉆機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)的一維模型，圖2為其最小對(duì)稱周期自適應(yīng)網(wǎng)格劃分圖形。
1．2優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖先用等效磁路法進(jìn)行方案估算和類似結(jié)構(gòu)的方案比較分析，選取仙算后的基本參數(shù)冉運(yùn)用有限元軟件建立電機(jī)模型[3]，確定材料屬性及參數(shù)設(shè)置，通過參數(shù)化分析及優(yōu)化分析確定最終方案。
優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程圖如圖3所小。
1．3主要性能對(duì)比分析
沒計(jì)電機(jī)外形尺寸，首先要確定的是定子沖片外徑。表1是在小同定了沖片外徑方案下主要性能對(duì)比情況：方案l發(fā)熱因數(shù)較高，不能滿足電機(jī)冷卻的要求；
本文電機(jī)采用內(nèi)置V形永磁體結(jié)構(gòu)，因此需要沒計(jì)隔磁橋。表2是隔磁橋與漏磁系數(shù)的關(guān)系對(duì)比。隨著隔磁橋?qū)挼脑黾樱┐畔禂?shù)增大，永磁用量增多。取3 mm時(shí)，漏磁系數(shù)較大，不合理；取2 mm和2．5mm時(shí)，漏磁系數(shù)變化不大；但取2．5 mm時(shí)制造工藝好些：本文隔磁橋?qū)捜?．5 mm。
由對(duì)比分析可知，選取合適的定子外徑及隔磁橋?qū)挘梢缘玫礁训脑O(shè)計(jì)方案。
1．4方案
確立本文的方案設(shè)計(jì)最終確定為額定功率650 kw，額定線電壓660 V，額疋轉(zhuǎn)速為505 r／min的全封閉自扇冷永磁同步電動(dòng)機(jī)，采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，部分設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。
2有限元仿真分析
對(duì)最終確立的方案進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真分析。
2．1空載氣隙磁密
根據(jù)前面的分析介紹，本乃案采用多級(jí)多槽整數(shù)槽的電磁設(shè)計(jì)方案。分析電機(jī)的空載運(yùn)行狀態(tài)可知，氣隙磁場(chǎng)沒有發(fā)生電樞反應(yīng)的情況下，氣隙磁場(chǎng)的基波分量直接決定電機(jī)的空載輸出電壓。其波形圖如圖4所示，各次諧波幅值如圖5所示。
2． 2齒槽轉(zhuǎn)矩齒
槽轉(zhuǎn)矩會(huì)引起PMsM的整體振動(dòng)，影響PMsM的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使其減小。圖6為齒槽轉(zhuǎn)矩波形。
由圖6可知齒槽轉(zhuǎn)矩的周期平均值為1．61 N·m。
2．3 電機(jī)性能分析
通過對(duì)不同模型的對(duì)比分析，得知最終確立的模型性能參數(shù)較為理想。圖7～圖lO為額定轉(zhuǎn)速下電機(jī)的主要性能波形圖。諧波會(huì)引起電機(jī)的額外發(fā)熱和負(fù)載損耗的增加及振動(dòng)、噪聲等，采用雙層繞組及****極弧系數(shù)可減小這些空間諧波。
2．4短路特性分析
三相瞬態(tài)短路是實(shí)際運(yùn)行過程中一種典型的故障情況，過程很短，但對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的沖擊力卻很大。在短路故障發(fā)生時(shí)，由短路電流的瞬問幅值產(chǎn)生的電樞反應(yīng)會(huì)對(duì)永磁體產(chǎn)生強(qiáng)烈的去磁效果。三梢短路時(shí)的A相電流變化如圖11所示。圖12是在A相****加載電流情況下的磁力線分布情況。由圖可知，此時(shí)的電機(jī)發(fā)生了強(qiáng)烈的電樞反應(yīng)。
3結(jié)語 石油鉆機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)采用內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)，本文針對(duì)650 kw永磁同步電動(dòng)機(jī)，利用Anson公司的MaxweH 2D分析模塊建立有限元模型，經(jīng)過合理的參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行空載及負(fù)載的性能分析[4]，通過對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的定于外徑及隔磁磁橋?qū)挾鹊姆治霰容^，確定了電機(jī)的****優(yōu)化方案，最后對(duì)三相瞬態(tài)短路工況進(jìn)行分析研究，得到在此故障情況下永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特征，為電機(jī)的合理設(shè)計(jì)提供一種參考依據(jù)，也為今后電機(jī)的****設(shè)計(jì)提供了定的理論基礎(chǔ) |
