礦用帶式輸送機(jī)雙繞組永磁直驅(qū)容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

韓寶虎，趙 亮，韓希君，伯爾波特

（神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 海拉爾 021000）

在煤礦開(kāi)采中，帶式輸送機(jī)具有運(yùn)量大、可靠性高、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，用于帶式輸送機(jī)的永磁直驅(qū)電機(jī)由于外部工作環(huán)境潮濕、多灰塵，經(jīng)常重載起動(dòng)、負(fù)荷變化大、電壓波動(dòng)大、環(huán)境溫度高等因素，經(jīng)常發(fā)生因電機(jī)繞組絕緣腐蝕從而導(dǎo)致電機(jī)繞組短路的故障。傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)效率高、功率因數(shù)高、噪聲低但容錯(cuò)能力相對(duì)較弱，永磁容錯(cuò)電機(jī)兼具永磁同步電機(jī)高效率、高功率因數(shù)、低噪聲、動(dòng)靜態(tài)控制性能好的優(yōu)勢(shì)，且具備缺相運(yùn)行等容錯(cuò)運(yùn)行能力[1-2]。雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)通過(guò)定子優(yōu)化設(shè)計(jì)2 套繞組，運(yùn)行狀態(tài)更多，可單繞組運(yùn)行，也可雙繞組并聯(lián)運(yùn)行，轉(zhuǎn)速范圍擴(kuò)大1 倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大幅提升，同時(shí)容錯(cuò)性能大大加強(qiáng)，1 套繞組出現(xiàn)故障，可以另1 套繞組單獨(dú)運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生電機(jī)停車的事故，特別適合礦用帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。為此，采用有限元法優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)，證設(shè)計(jì)礦用雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)的合理性，研究電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)、極槽配合、極弧優(yōu)化等對(duì)雙繞組容錯(cuò)電機(jī)性能的影響。

1 礦用雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)主要參數(shù)與性能指標(biāo)

1）確定電機(jī)額定參數(shù)。額定功率1 200 kW，額定轉(zhuǎn)速180 r/min，額定轉(zhuǎn)矩63 662 N·m。電機(jī)的直流電壓410 V，效率不小于96%，功率因數(shù)0.85。

2）電機(jī)的主要尺寸。電機(jī)的定子外徑為1 400 mm、定子內(nèi)徑為980 mm，電機(jī)的轉(zhuǎn)子外徑為974 mm、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為600 mm，電機(jī)的軸向長(zhǎng)度為600 mm，氣隙長(zhǎng)度為3 mm，永磁體的厚度和寬度分別為24 mm 和90 mm，電機(jī)定子槽數(shù)為36，極數(shù)為30。電機(jī)的永磁體和定轉(zhuǎn)子沖片分別采用N38SH 和DW470－50 材料。

1.2 雙Y 移30°的六相繞組結(jié)構(gòu)

對(duì)于容錯(cuò)電機(jī)而言，相數(shù)越多，電機(jī)繞組的冗余程度就越高，控制系統(tǒng)越復(fù)雜，因電子元器件繁多導(dǎo)致的系統(tǒng)故障率更高[3-5]。在三相永磁同步電機(jī)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的最低次數(shù)為6，而在雙Y 移30°的六相PMSM 中，最低空間諧波的次數(shù)是11，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的最低次數(shù)是12。電動(dòng)機(jī)相數(shù)的增加，使得最低空間諧波次數(shù)增大，諧波電流幅度下降，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值大大減小[6]。采用六相不對(duì)稱聯(lián)接方式，定子繞組由互相位移30 電角度的2 套三相星形繞組構(gòu)成，有效消除氣隙磁動(dòng)勢(shì)中的5 次和7 次諧波，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)[7]。因此采用雙Y 移30°的六相繞組結(jié)構(gòu)。

1.3 極槽配合及繞組形式

目前低速永磁同步電機(jī)常采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組，分?jǐn)?shù)槽集中繞組的每個(gè)線圈繞制在1 個(gè)齒上，節(jié)距為1，每1 個(gè)線圈都鑲嵌在2 個(gè)相鄰的槽中，槽距接近于1 個(gè)極距。具有線圈端部短、節(jié)省銅用量、槽利用率高、嵌線工藝簡(jiǎn)化等優(yōu)點(diǎn)；并且定轉(zhuǎn)子不用通過(guò)斜槽、斜極等措施就可以將齒槽轉(zhuǎn)矩降至很小，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)??；永磁同步電動(dòng)機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組能提高效率和功率密度，節(jié)約成本[8]。

采用單元電機(jī)為10 極12 槽的基本配合的雙層繞組，此種配合的單元電機(jī)的槽數(shù)為偶數(shù)，槽數(shù)與極數(shù)的最小公倍數(shù)較大，能有效地減小齒槽轉(zhuǎn)矩。而且繞組因數(shù)較高。由此單元電機(jī)派生的電機(jī)極槽配合有20/24；30/36；40/48。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)定子外徑和供電頻率綜合選取。

對(duì)于外徑為1 400 mm 的電機(jī)來(lái)說(shuō)，極數(shù)不宜過(guò)少，會(huì)造成定子槽數(shù)少而引起的槽尺寸過(guò)大，線圈尺寸過(guò)大，繞組端部過(guò)大。不利于集中式繞組優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，并且極數(shù)過(guò)少造成磁路長(zhǎng)度增加，需要更厚的定子軛部，不利于裂比的增大。通常情況下，電機(jī)裂比越大，出力越大。極數(shù)關(guān)系到供電頻率的高低，最終會(huì)影響鐵耗和電機(jī)效率。因此，單元電機(jī)的數(shù)量也很重要。考慮到電機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在不大于額定轉(zhuǎn)速下工作，而且更低轉(zhuǎn)速均為長(zhǎng)期運(yùn)行工作制，選用30 極36 槽方案。

1.4 磁極結(jié)構(gòu)

分?jǐn)?shù)槽集中繞組來(lái)說(shuō)，由于磁路的特點(diǎn)，所有形式的磁極結(jié)構(gòu)均對(duì)交直軸磁路沒(méi)有影響。因此對(duì)于分?jǐn)?shù)槽集中繞組來(lái)說(shuō)，內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)的多種變形只關(guān)注聚磁效果，即盡量多的提供磁通。內(nèi)置式磁極鑲嵌在轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)，擺放靈活，主要分為徑向式和切向式。由于切向式具有更好的聚磁效果，因此對(duì)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，采用切向磁極結(jié)構(gòu)能最大程度的提高電機(jī)出力，減小電機(jī)體積。

對(duì)比分析切向式磁極結(jié)構(gòu)和表貼式磁極結(jié)構(gòu)的空載氣隙磁密波形可知，當(dāng)采用表貼式磁極結(jié)構(gòu)且極弧系數(shù)達(dá)到0.9 時(shí)，電機(jī)的氣隙磁密的幅值為1.0 T，平均值達(dá)到0.86 T。而采用切向式結(jié)構(gòu)時(shí)，電機(jī)的氣隙磁密幅值能夠達(dá)到1.5 T，平均值達(dá)到1.1 T。因此最終采用了切向式磁極結(jié)構(gòu)，以得到更高的氣隙磁通密度。

隨著磁密幅值的增高，各次諧波幅值也會(huì)增高。因此要降低諧波，最有效的辦法就是增大氣隙，但這樣也帶來(lái)了基波幅值的降低。為了在不降低氣隙磁密基波幅值的前提下消弱各次諧波，采用對(duì)極弧進(jìn)行優(yōu)化的方法，使電機(jī)的氣隙磁密波形更接近于正弦波，消除諧波對(duì)電機(jī)電磁性能的影響。

1.5 極弧優(yōu)化

對(duì)于內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)，面對(duì)氣隙的是極靴，因此極靴形狀直接影響了氣隙磁場(chǎng)的分布波形。為了使得永磁電機(jī)的空載氣隙磁場(chǎng)接近正弦波形分布，降低電壓波形正弦性畸變率，提高運(yùn)行性能，探討極靴形狀的設(shè)計(jì)是非常必要的。而且內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)的極靴為硅鋼片，加工相對(duì)容易，因此可以做到非均勻氣隙的靈活優(yōu)化。優(yōu)化后的內(nèi)置式電機(jī)的氣隙厚度不再是均勻分布，位于極靴中心部分的氣隙厚度會(huì)略小于極靴兩側(cè)的氣隙厚度，極靴中心部位的氣隙磁導(dǎo)更大，由永磁體產(chǎn)生的磁通會(huì)更多的從極靴的中心部位穿過(guò)氣隙到達(dá)定子部分，使得該電機(jī)的空載氣隙磁場(chǎng)接近正弦波形分布。

2 電機(jī)性能仿真分析

對(duì)電機(jī)空載條件下的電磁性能進(jìn)行了有限元仿真分析，對(duì)電機(jī)負(fù)載條件下的電磁性能進(jìn)行了有限元仿真分析。對(duì)單Y 和雙Y 條件下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了計(jì)算，空載氣隙磁密波形如圖1，不同情況下的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩如圖2。

圖1 空載氣隙磁密波形

圖2 不同情況下的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩

優(yōu)化后電機(jī)空載情況下氣隙磁密的3 次諧波被消除了，氣隙磁密波形更接近于正弦波。優(yōu)化前后電機(jī)的空載氣隙磁密的諧波含量由26%下降到14.85%，降低了42.9%。優(yōu)化后的齒槽轉(zhuǎn)矩最大值僅為額定轉(zhuǎn)矩的0.3%。優(yōu)化前后電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形也發(fā)生了變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由原來(lái)的2.5%減小到0.68%。

3 結(jié)語(yǔ)

采用有限元法優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的礦用帶式輸送機(jī)1 200 kW 雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性，研究了電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)、極槽配合、極弧優(yōu)化等對(duì)雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)性能的影響。永磁容錯(cuò)電機(jī)具有出色的容錯(cuò)能力，且兼具永磁同步電機(jī)高效率、高功率因數(shù)、低噪聲、動(dòng)靜態(tài)控制性能好的長(zhǎng)處；在1 套繞組出現(xiàn)絕緣、開(kāi)路等故障時(shí)，電機(jī)仍可以利用另1 套繞組實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生電機(jī)停車的事故，提高了電機(jī)的可靠性。