張 巍,張 宙
(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司,上海 200240)
本文以國外某泵站項(xiàng)目大容量立式同步電動機(jī)為研究對象,該電機(jī)為多極低速同步電機(jī)。電磁方案的設(shè)計(jì)中每極每相槽數(shù)q的選擇至關(guān)重要,可能會產(chǎn)生諧波引起電機(jī)發(fā)生振動噪聲方面的問題,所以對電磁方案進(jìn)行諧波分析以及轉(zhuǎn)矩脈動的計(jì)算是相當(dāng)必要的。項(xiàng)目從大型同步電動機(jī)減小、削弱諧波以及諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動角度出發(fā),對分?jǐn)?shù)槽和整數(shù)槽兩種方案進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,通過對比,為產(chǎn)品設(shè)計(jì)選擇最優(yōu)方案提供依據(jù)。這些計(jì)算可以優(yōu)化大容量立式同步電動機(jī)方案,選出更加合理的最終計(jì)算結(jié)果方案,為掌握MW級立式水泵用電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)和后期相關(guān)產(chǎn)品的研制,鞏固我公司在大容量立式同步電動機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢,為后續(xù)承接更多國外水利市場電動機(jī)項(xiàng)目奠定基礎(chǔ)。
在進(jìn)行有限元分析的時候,對電機(jī)做如下假設(shè):
(1) 采用二維場模擬實(shí)際磁場,選用國際單位制,直角坐標(biāo)系。
(2) 不計(jì)交變磁場在導(dǎo)電材料中的渦流反應(yīng),電機(jī)的磁場可作為非線性恒定磁場來處理。
(3) 忽略端部效應(yīng),磁場沿軸向均勻分布,電流密度和磁矢位只有Z軸方向的分量,采用矢量磁位AZ求解。
(4) 鐵心里的磁導(dǎo)率是各向同性的。
(5) 電機(jī)外部磁場所占分量甚小,可以忽略,定子外表面圓周為零矢量位面。
電機(jī)內(nèi)部磁場分布,運(yùn)用有限元方法進(jìn)行分析,用矢量磁位A表述計(jì)算區(qū)域內(nèi)的二維電磁場問題時,需滿足如下邊值問題:
式中:Ω為求解區(qū)域;S1為定子外徑邊界條件;JZ為電流密度;μ為磁導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率。
將上式轉(zhuǎn)化為變分極值問題,離散后得到矢量磁位AZ的非線性方程組,求解后得AZ數(shù)值解,即可確定電機(jī)內(nèi)磁場分布[1-2]。
根據(jù)以上假設(shè)條件,建立同步電動機(jī)的二維有限元瞬態(tài)電磁場分析計(jì)算模型,并確定求解域及邊界。
電機(jī)模型較大,為了簡化計(jì)算的工作量,采用單元電機(jī)建模。采用有限元法對所研制的目標(biāo)電機(jī)進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分。以定子節(jié)距Y=12方案為例,建模后分別定義電機(jī)各部分材料屬性及磁化曲線。定子沖片材料定義為高性能牌號無取向硅鋼片50W315,轉(zhuǎn)子磁極采用Q235磁極沖片疊壓而成,轉(zhuǎn)子磁軛材料定義為鑄鋼材料ZG230-450。建立的電機(jī)模型如圖1所示。
圖1 電機(jī)有限元分析模型
定義各部分材料屬性之后,設(shè)定相應(yīng)的邊界和激勵條件。對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行整體剖分,并對氣隙附近進(jìn)行網(wǎng)格加密,得到最后計(jì)算區(qū)域剖分單元網(wǎng)格,如圖2所示。
圖2 電機(jī)模型的網(wǎng)格劃分
設(shè)計(jì)了28極的電磁方案,每極每相槽數(shù)q=4+1/2的分?jǐn)?shù)槽繞組,分?jǐn)?shù)槽繞組能很好地削弱高次諧波和齒諧波的影響[3]。初步確定了定子節(jié)距Y=11和Y=12兩個電機(jī)方案,通過有限元數(shù)值方法對同步電動機(jī)兩個短距方案進(jìn)行電磁場的分析計(jì)算,驗(yàn)證其削弱5、7次諧波的效果。建立電機(jī)空載和負(fù)載分析的模型,在兩種工況下分析電機(jī)的諧波情況并計(jì)算負(fù)載工況下的轉(zhuǎn)矩脈動情況,為最終確定電機(jī)電磁方案提供有力的支持和驗(yàn)證,綜合考慮可以得到優(yōu)選方案。
當(dāng)定子節(jié)距Y=12時,設(shè)置同步電動機(jī)在214.3 r/min下空載運(yùn)行,空載感應(yīng)電勢波形如圖3所示。
同時可以得到空載感應(yīng)電勢頻譜分析波形如圖4所示。
圖4 Y=12時空載感應(yīng)電勢頻譜分析
可以計(jì)算得到空載電勢的THD值為0.74%。
當(dāng)定子節(jié)距Y=11時,設(shè)置同步電動機(jī)在214.3 r/min下空載運(yùn)行,空載感應(yīng)電勢波形如圖5所示。
圖5 Y=11時空載感應(yīng)電勢波形
同時可以得到空載感應(yīng)電勢頻譜分析波形如圖6所示。
圖6 Y=11時空載感應(yīng)電勢頻譜分析
可以計(jì)算得到空載電勢的THD值為0.44%。
當(dāng)定子節(jié)距Y=12時,設(shè)置同步電動機(jī)為三相電壓源下恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載-1 782.548 kN·m下運(yùn)行,得到電磁轉(zhuǎn)矩的波形如圖7所示。
圖7 Y=12時電磁轉(zhuǎn)矩波形
此時電磁轉(zhuǎn)矩的峰峰值占額定轉(zhuǎn)矩的1.33%。同時可以得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩頻譜分析波形如圖8所示。
圖8 Y=12時負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩頻譜分析
當(dāng)定子節(jié)距Y=11時,設(shè)置同步電動機(jī)為三相電壓源下恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載-1 782.548 kN·m下運(yùn)行,得到電磁轉(zhuǎn)矩的波形如圖9所示。
圖9 Y=11時電磁轉(zhuǎn)矩波形
此時電磁轉(zhuǎn)矩的峰峰值占額定轉(zhuǎn)矩的0.9%。同時可以得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩頻譜分析波形如圖10所示。
圖10 Y=11時負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩頻譜分析
對以上方案列出主要計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,如表1所示。
表1 不同定子節(jié)距時電機(jī)主要性能結(jié)果比較
可見電機(jī)主要評估性能指標(biāo)皆滿足設(shè)計(jì)要求,分?jǐn)?shù)槽繞組很好地削弱了齒諧波的影響,兩個方案的轉(zhuǎn)矩脈動都比較??;同時,從定子節(jié)距Y=11時的空載電勢頻譜可以看出調(diào)整節(jié)距后的方案大大的弱了5、7次諧波的影響,對負(fù)載工況轉(zhuǎn)矩脈動也有削弱作用。
設(shè)計(jì)了26極的電磁方案,為每極每相槽數(shù)q=4的整數(shù)槽繞組。整數(shù)槽繞組一般存在齒諧波對電機(jī)性能影響較大的情況,需要調(diào)整轉(zhuǎn)子阻尼繞組節(jié)距來削弱齒諧波的影響,在原方案39.0 mm的基礎(chǔ)上初步確定了轉(zhuǎn)子阻尼節(jié)距41.5 mm和42.0 mm兩個電機(jī)方案,通過有限元數(shù)值方法對同步電動機(jī)電磁場的分析計(jì)算,驗(yàn)證其削弱齒諧波的效果。
通過有限元計(jì)算,完成了阻尼節(jié)距為39.0 mm的初步方案空載和負(fù)載工況下反電勢分析,轉(zhuǎn)矩脈動等相關(guān)性能的計(jì)算。從分析結(jié)果可知轉(zhuǎn)矩脈動較大,是齒諧波引起,無法通過短距分布消除影響。采用調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼條距的方法,計(jì)算了阻尼節(jié)距為41.5 mm的改進(jìn)方案性能,對原方案轉(zhuǎn)矩脈動抑制效果明顯。后又同時進(jìn)行了阻尼節(jié)距為42.0 mm的方案,但由于t2/t1=0.907>0.9,考慮降低電機(jī)附加損耗,可知阻尼節(jié)距為41.5 mm(t2/t1=0.896)是最佳方案。三個方案的計(jì)算結(jié)果相比較,主要性能如表2所示。
表2 不同阻尼條距時電機(jī)主要性能結(jié)果比較
分別優(yōu)選分?jǐn)?shù)槽和整數(shù)槽最優(yōu)方案對比如表3所示。
表3 分?jǐn)?shù)槽和整數(shù)槽優(yōu)選方案主要性能結(jié)果比較
可見,電機(jī)選取轉(zhuǎn)子28極分?jǐn)?shù)槽繞組時,定子節(jié)距Y=11的方案減小了5、7次諧波的影響,空載電勢THD更小,同時由于分?jǐn)?shù)槽繞組能有效削弱齒諧波,轉(zhuǎn)矩脈動也很小,在本例中分?jǐn)?shù)槽每極每相槽數(shù)選擇為q=4+1/2同時還規(guī)避了次諧波的影響;電機(jī)選取轉(zhuǎn)子26極整數(shù)槽繞組時,可以避免次諧波的產(chǎn)生,并且通過調(diào)整轉(zhuǎn)子阻尼條距為41.5 mm時也可以大大削弱齒諧波,但從綜合情況來看,分?jǐn)?shù)槽方案更優(yōu)。
該項(xiàng)目完成了預(yù)定的目標(biāo),說明采用依托有限元數(shù)值分析的電磁場計(jì)算方法可以應(yīng)用到其他同類電機(jī)的設(shè)計(jì)工作中,為最終確定電機(jī)電磁方案提供了有力的支持和驗(yàn)證,能大幅降低質(zhì)量問題的風(fēng)險,創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。