黃澤宇，趙志剛，王 森

（沈陽(yáng)工程學(xué)院a.電力學(xué)院；b.自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

礦用低速大功率永磁電機(jī)的定子模塊采用單元組合結(jié)構(gòu)，能夠減少在定子裝配、安裝、運(yùn)輸以及后期維護(hù)中的許多缺陷。采用定子模塊進(jìn)行冗余功率控制，可以增強(qiáng)永磁電機(jī)的傳動(dòng)能力，提高電機(jī)的穩(wěn)定性。當(dāng)某個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，其他模塊與轉(zhuǎn)子結(jié)合也可以繼續(xù)運(yùn)行，能夠大幅度降低維修成本。本文研究的模塊化組合式永磁電機(jī)能夠有效地減少低速大功率直驅(qū)領(lǐng)域的問(wèn)題。在科學(xué)層面上，這種結(jié)構(gòu)的變化會(huì)給電機(jī)帶來(lái)一些分析、設(shè)計(jì)理論問(wèn)題，也會(huì)帶來(lái)定子單元數(shù)與電機(jī)極數(shù)、槽數(shù)及功率、轉(zhuǎn)速等之間的基本規(guī)律問(wèn)題。單元組合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)、損耗及溫度場(chǎng)等是要研究探討的科學(xué)問(wèn)題［1-3］。國(guó)內(nèi)外對(duì)永磁同步電機(jī)的研究主要集中在效率的提升、噪音的降低、替換異步電機(jī)牽引系統(tǒng)、故障診斷方法、仿真研究、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)研究、槽極匹配等方面［4-5］。目前對(duì)模塊化低速永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)研究比較少，關(guān)于靜態(tài)及瞬態(tài)的性能分析也較少。國(guó)內(nèi)外均對(duì)電機(jī)的分瓣、模塊化制作進(jìn)行了探索，但都只適用于集中繞組電機(jī)定子，對(duì)普遍采用雙層疊繞組的電機(jī)卻不適用［6］。

因此，提出了利用模塊組合式定子的低速大功率同步電機(jī)的研究。此研究解決了煤炭生產(chǎn)中的急切需要，有現(xiàn)實(shí)意義與工程實(shí)際價(jià)值。

1 模塊化組合式電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理分析

礦用大功率模塊化組合式低速直驅(qū)永磁電動(dòng)機(jī)，可根據(jù)實(shí)際負(fù)載的需要投入不同數(shù)量的定子單元模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能與效率的最優(yōu)化控制，提高系統(tǒng)的可靠性。圖1 為模塊化定子結(jié)構(gòu)示意圖。在多臺(tái)電力電子電源聯(lián)合供電條件下，如何保證系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性，以及投切的準(zhǔn)確性和快速性是多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)的綜合控制策略問(wèn)題。通過(guò)冗余功率優(yōu)化控制技術(shù)，能夠解決大功率直驅(qū)電機(jī)最優(yōu)啟動(dòng)問(wèn)題［7-8］。

圖1 模塊化定子結(jié)構(gòu)

礦用模塊化組合式永磁電機(jī)利用的是定子模塊結(jié)構(gòu)，在某一單元發(fā)生問(wèn)題時(shí)，其他模塊可以隨時(shí)投切，增大負(fù)載范圍，減少“大馬拉小車”的情況出現(xiàn)，繼而增強(qiáng)永磁同步電機(jī)的穩(wěn)定性與可靠性。定子可以在轉(zhuǎn)子裝配完成后，采用外部拼裝組成，解決了電機(jī)定轉(zhuǎn)子裝配和拆卸的難題?；赟olidworks 建立礦用模塊化永磁電機(jī)的3D 模型，圖2為模塊化永磁電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)［9］。

圖2 模塊化永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)電機(jī)不同極數(shù)、每極每相槽數(shù)和實(shí)際需要，適當(dāng)選擇定子單元數(shù)量。本文研究的模塊化組合式電機(jī)的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用200 kW 級(jí)多模塊化組合式電機(jī)，其結(jié)構(gòu)及原理與一般的電機(jī)有差異，圖3 為傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。通過(guò)電機(jī)學(xué)原理可知：電機(jī)的極對(duì)數(shù)可與并聯(lián)的支路數(shù)一致，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)能夠支出較多的輸出端子，將多臺(tái)低壓變頻器并聯(lián)為負(fù)載供電。圖4為10支路低壓變頻器示意圖，模塊數(shù)量與輸出的端子接線排相關(guān)，通過(guò)電機(jī)學(xué)原理可知，模塊可以根據(jù)系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)成相同特性的模塊或者不同特性的模塊，多個(gè)模塊可以匹配出不同的外特性［10］。

圖3 傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖4 10支路低壓變頻器

2 不等跨距繞組結(jié)構(gòu)研究

實(shí)現(xiàn)礦用大功率模塊組合式低速直驅(qū)永磁電動(dòng)機(jī)機(jī)電解耦，應(yīng)利用不等跨距繞組與大線圈、小線圈反向嵌套的方法。令相鄰定子單元能夠完成機(jī)械解耦，從而極大增強(qiáng)電機(jī)裝配和維護(hù)的靈活性，提高電機(jī)系統(tǒng)的整體可靠性。本文利用增量與解析的方法分別對(duì)定子模塊大跨距線圈及小跨距線圈的節(jié)距進(jìn)行計(jì)算。圖5為不等跨距線圈結(jié)構(gòu)示意圖［11］。

圖5 不等跨距繞組結(jié)構(gòu)

對(duì)于大跨距線圈節(jié)距：

對(duì)于小跨距線圈節(jié)距：

由于采用的繞組為非常規(guī)繞組，傳統(tǒng)永磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型已不適用。另外，定子模塊之間存在空隙，影響模塊間的互感，因此本文基于不等跨距繞組建立數(shù)學(xué)模型方程。

1）定子單元內(nèi)的互感計(jì)算

針對(duì)各模塊間不等跨距繞組的位置，能夠得到下列關(guān)系式：

相鄰之間的互感系數(shù)要大于隔相的互感系數(shù)：

繞組的互感系數(shù)二次分量與恒定分量相等，即

根據(jù)有限元分析法可得到與上述分析一致的結(jié)論。從圖6 中可以看出：相鄰電感的互感系數(shù)大于隔相的互感系數(shù)，緊鄰繞組的互感系數(shù)數(shù)值相等，相位不同。

圖6 有限元分析互感系數(shù)

2）定子模塊間的互感計(jì)算

模塊間的互感矩陣具有一定的普遍性，以2 個(gè)模塊舉例，多個(gè)模塊以此類推。所處位置一致的模塊電機(jī)繞組的二次及恒定分量對(duì)應(yīng)相同，2 個(gè)模塊的元素可通過(guò)下式表示：

3 電磁場(chǎng)仿真

有限元分析仿真步驟如下：

1）導(dǎo)入/修改/建立幾何模型；

2）定義/修改材料參數(shù)、載荷及邊界條件；

3）劃分網(wǎng)格并生成有限元模型；

4）檢查模型；

5）進(jìn)行分析計(jì)算；

6）后處理；

7）輸出分析報(bào)告。

利用麥克斯韋方程在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真研究。本文設(shè)計(jì)研制200 kW 感應(yīng)電機(jī)作為樣機(jī)，因本課題研究背景為礦用，所以研制的樣機(jī)為多極少槽的電機(jī)，可以減小轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)矩。模擬樣機(jī)的主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 樣機(jī)主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

表1 （續(xù)）

圖7 為礦用模塊化組合式電機(jī)在全部支路下的磁力線分布圖，從圖中可清楚地看到電機(jī)的極數(shù)，而且電機(jī)內(nèi)的磁力線是對(duì)稱分布的。

圖7 磁場(chǎng)分布

從上述的結(jié)果可以看出：磁場(chǎng)大小合理，分布均勻，從而驗(yàn)證了在Ansys 軟件中進(jìn)行的電磁場(chǎng)仿真模型是正確的。

4 額定負(fù)載下溫度場(chǎng)仿真分析

本文基于MotorCAD 建立礦用模塊化組合式永磁電機(jī)溫度場(chǎng)和低速感應(yīng)電機(jī)等效熱路模型。按照電機(jī)的不同零部件，將電機(jī)分為不同的熱源節(jié)點(diǎn)、溫度節(jié)點(diǎn)、傳導(dǎo)熱阻、對(duì)流熱阻、熱容等，并按照相應(yīng)的次序?qū)⒏鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)和熱阻連接，構(gòu)成高速感應(yīng)電機(jī)的等效熱路模型。圖8和圖9分別為電機(jī)的軸向和徑向等效熱路模型。

圖8 電機(jī)軸向等效熱路模型

圖9 電機(jī)徑向等效熱路模型

本文利用MotorCAD 軟件建立的220 kW 熱路模型電路如圖10所示，熱阻的顏色與圖中各電機(jī)部件顏色相對(duì)應(yīng)，電機(jī)的熱路模型主要包括熱容、熱阻及熱源3部分。根據(jù)礦用模塊化組合式低速電機(jī)的結(jié)構(gòu)畫(huà)出電機(jī)的熱路模型，進(jìn)而對(duì)其模型進(jìn)行分析，得到電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的溫度曲線，如圖11所示。

圖10 等效熱路模型電路

從圖11 可以看出：定子軛部的溫度最高，其次是繞組、定子鐵心及機(jī)殼。定子軛部的最高溫度為119 ℃，平均溫度符合電機(jī)的溫升要求，驗(yàn)證了電機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性與溫升的穩(wěn)定性。

圖11 穩(wěn)態(tài)溫度曲線

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)礦用電機(jī)設(shè)計(jì)、運(yùn)輸及安裝的問(wèn)題，本文基于煤炭背景，設(shè)計(jì)了礦用模塊化組合式永磁電機(jī)，將其定子進(jìn)行模塊化劃分，當(dāng)某一模塊出現(xiàn)故障時(shí)，其他模塊也可獨(dú)立運(yùn)行，解決了維修難的問(wèn)題。同時(shí)，提出了采用不等跨距繞組實(shí)現(xiàn)電氣以及機(jī)械雙重解耦，并利用Ansys 和MotorCAD 分別對(duì)電磁場(chǎng)及永磁電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了電機(jī)的可靠性。