新型永磁同步頂驅(qū)電機(jī)設(shè)計(jì)與研究

王云洪 張國平 陳起旭

（(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢430064）

0 引言

海洋石油天然氣是石油行業(yè)的未來，而海洋石油的開采離不開頂驅(qū)等相關(guān)設(shè)備。由于工作環(huán)境惡劣，對設(shè)備的可靠性要求高等因素，目前，我國使用的頂驅(qū)電機(jī)基本是從國外進(jìn)口。因此，研發(fā)滿足工況的頂驅(qū)電機(jī)，提高該領(lǐng)域產(chǎn)品的國產(chǎn)化率，降低成本非常迫切。

目前所用頂驅(qū)電機(jī)主要為異步電動(dòng)機(jī)，存在電機(jī)性能和工作工況不吻合、絕緣壽命低等問題，嚴(yán)重影響了開采的進(jìn)度和效率，需要一種滿足頂驅(qū)設(shè)備工況、具備較長絕緣壽命的電機(jī)來替代現(xiàn)有電機(jī)。

本文根據(jù)頂驅(qū)電機(jī)實(shí)際工況出現(xiàn)的問題，研究了新型永磁同步電動(dòng)機(jī)[1,2,4]。如圖 1 所示，該電機(jī)采用最優(yōu)的電磁設(shè)計(jì)方案，使電機(jī)性能滿足頂驅(qū)電機(jī)特定的工況，緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、獨(dú)特的冷卻系統(tǒng)，解決了工作環(huán)境中因鹽霧對電機(jī)繞組絕緣破壞的問題，滿足了實(shí)際惡劣的工作環(huán)境。

圖1 頂驅(qū)電機(jī)圖

1 設(shè)計(jì)原理

1) 采用弱磁調(diào)速原理滿足恒功率性能要求；

2) 采用緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足現(xiàn)場安裝；

3) 采用定子軛部開孔通風(fēng)的冷卻方式，避免冷卻空氣中的鹽霧對繞組的破壞。

主要技術(shù)指標(biāo)：

額定功率：257 kW；額定電壓 600 V；額定工作頻率60 Hz；工作頻率范圍0-120 Hz；最高恒功轉(zhuǎn)速2400 r/min；額定效率>95 % 。

2 設(shè)計(jì)過程

2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)

2.1.1 電機(jī)主要尺寸的確定

1) 極數(shù)：6極

2) 定子槽數(shù)及槽型：54槽，平行槽

3) 轉(zhuǎn)子磁鋼：內(nèi)置式V形

4) 定子沖片及鐵心尺寸

定子沖片圖如圖2所示。

圖2 定子沖片圖

5) 定子繞組采用短距波形繞組，8/9跨接，3相星形聯(lián)結(jié)。

2.1.2 電機(jī)電磁場仿真

主要仿真了電機(jī)空載特性和負(fù)載特性[6]，其中磁鋼hcc=890100 A/m，Br=1.116 T。

1) 計(jì)算空載磁密分布如圖3所示

圖3 空載磁密云圖

2) 加載幅值為400 A的三相正弦電流時(shí)，計(jì)算負(fù)載磁密分布如圖4所示

3）弱磁調(diào)速計(jì)算

轉(zhuǎn)速變?yōu)?400轉(zhuǎn)，保持電流不變，控制電流超前導(dǎo)通70°，轉(zhuǎn)矩波形如圖5所示，平均值為1020 N·m。

從結(jié)果中可以看出 內(nèi)功率因數(shù)角為 70°時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩平均值為1020 N·m，約等于額定轉(zhuǎn)矩除以2，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速2倍，功率基本不變。所以認(rèn)為可以弱磁調(diào)速到2400 rpm。

圖4 負(fù)載磁密云圖

圖5 內(nèi)功率因數(shù)角為70°的轉(zhuǎn)矩波形

2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)結(jié)構(gòu)見圖 6，其中：風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)-1，風(fēng)機(jī)-2，盤剎支架-3，風(fēng)箱-4，進(jìn)風(fēng)口-5，密封橡膠-6，電機(jī)定子-7，電機(jī)轉(zhuǎn)子-8，出風(fēng)口-9。

圖6 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)1和風(fēng)機(jī)2通過盤剎支架3固定在電機(jī)上。風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)1帶動(dòng)風(fēng)機(jī)2，將冷卻空氣吸入風(fēng)箱4；冷卻空氣從進(jìn)風(fēng)口5進(jìn)入，被密封橡膠6堵住不能進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，只能通過電機(jī)定子7的通風(fēng)孔，然后從出風(fēng)口9流出。電機(jī)工作時(shí)，冷卻空氣只經(jīng)過密封橡膠6和電機(jī)定子7的軛部，將定子繞組的熱量帶走而不會接觸到電機(jī)繞組。當(dāng)環(huán)境很惡劣，如空氣鹽霧和水分含量很高時(shí)，冷卻空氣通過電機(jī)時(shí)不會對電機(jī)繞組絕緣產(chǎn)生破壞。

下面是電機(jī)結(jié)構(gòu)場仿真。主要校核了轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度及應(yīng)力、位移分布[3,5]。其中轉(zhuǎn)子部分因周期對稱性，只考慮了1/6模型。

轉(zhuǎn)子主要參數(shù)及工況：

硅鋼片彈性模量2.1E11 Pa，泊松比0.27，永磁體彈性模量1.13E11 Pa，泊松比0.23，轉(zhuǎn)速按最高轉(zhuǎn)速2400 r/min來考慮。

計(jì)算轉(zhuǎn)子節(jié)點(diǎn)合位移，如圖7所示。其中合位移最大值為0.00576 mm，發(fā)生在兩塊永磁體之間的轉(zhuǎn)子鐵心的外圓周部分，若不考慮轉(zhuǎn)子部分相對于定子部分的偏心，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.1倍的氣隙。

圖7 節(jié)點(diǎn)合位移USUM圖

計(jì)算等效應(yīng)力，如圖8所示。其中最大等效應(yīng)力為89.5 MPa，發(fā)生在隔磁橋部分，而硅鋼片的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到340~440 MPa。通過分析合位移、等效應(yīng)力均在許應(yīng)的范圍之內(nèi)。

圖8 等效應(yīng)力圖

2.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)

冷卻風(fēng)通過繞組端部時(shí)，其中的鹽霧等會破壞繞組絕緣。在此，提出一種方案，讓冷卻風(fēng)只通過電機(jī)鐵心，而不接觸到繞組，這樣，既可以散熱，又可以不破壞繞組絕緣。

在定子鐵心開通風(fēng)孔，密封住定子繞組端部，使冷卻空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，在通過定子鐵心通風(fēng)孔，從出風(fēng)口散發(fā)到空氣中。冷卻空氣含有大量的鹽霧，但沒有接觸到繞組，在帶走電機(jī)熱量的同時(shí)，沒有破壞繞組絕緣，大大提高了電機(jī)的使用壽命。

3 結(jié)論

在電機(jī)的研制過程中，遇到了很多技術(shù)難點(diǎn)，比如電機(jī)體積小、功率大、發(fā)熱嚴(yán)重；定子繞組端部安放空間??；繞組容易絕緣破壞等問題，得到了逐一攻克。

該電機(jī)采用無機(jī)座結(jié)構(gòu)，大大縮小了體積和重量，符合工作環(huán)境尺寸安裝的要求。通過負(fù)載試驗(yàn)表明，在轉(zhuǎn)速1200 r/min以下，該電機(jī)擁有良好的恒轉(zhuǎn)矩特性，滿足工況的需要。通過弱磁調(diào)速試驗(yàn)表明，該電機(jī)有良好的調(diào)速性能，能夠達(dá)到兩倍的弱磁調(diào)速，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。采用獨(dú)特的強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，為不同冷卻方式的研究提供一種新的方向。通過發(fā)熱試驗(yàn)表明，該電機(jī)發(fā)熱良好，符合F級絕緣溫升的要求。研制的樣機(jī)如圖9所示。

圖9 永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)物圖

對于低轉(zhuǎn)速運(yùn)行而需要高轉(zhuǎn)矩輸出的使用環(huán)境，永磁電機(jī)有天然的優(yōu)勢，該設(shè)計(jì)方法完全針對頂驅(qū)、提升機(jī)等工作環(huán)境惡劣、需要低速大扭矩的使用條件，對帶減速箱設(shè)備進(jìn)行直驅(qū)替代也是該型電機(jī)的一個(gè)主要優(yōu)勢。通過257 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究表明：已掌握頂驅(qū)用 257 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，為下一步設(shè)計(jì)制造更高功率的同類型電機(jī)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有很好的市場前景。

[1]王秀和. 永磁電機(jī). 北京: 中國電力出版社, 2007.

[2]唐任遠(yuǎn) 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.

[3]姜彤, 李殿起, 韓立. ANSYS在永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度接觸有限元分析中的應(yīng)用. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(11): 87~89.

[4]陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[5]龔曙光, 黃云清, 有限元分析與ANSYS APDL編程與高級應(yīng)用. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[6]NICOLA, BIANCHI. Electrical machine analysis using finite elements [M]. New York : Taylor&Francis Group Press, 2005.