黃澤宇，趙志剛，王 森

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

礦用低速大功率永磁電機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、運輸以及后期維護中的許多缺陷。采用定子模塊進行冗余功率控制，可以增強永磁電機的傳動能力，提高電機的穩(wěn)定性。當(dāng)某個模塊出現(xiàn)故障時，其他模塊與轉(zhuǎn)子結(jié)合也可以繼續(xù)運行，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能夠有效地減少低速大功率直驅(qū)領(lǐng)域的問題。在科學(xué)層面上，這種結(jié)構(gòu)的變化會給電機帶來一些分析、設(shè)計理論問題，也會帶來定子單元數(shù)與電機極數(shù)、槽數(shù)及功率、轉(zhuǎn)速等之間的基本規(guī)律問題。單元組合的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電磁設(shè)計、損耗及溫度場等是要研究探討的科學(xué)問題［1-3］。國內(nèi)外對永磁同步電機的研究主要集中在效率的提升、噪音的降低、替換異步電機牽引系統(tǒng)、故障診斷方法、仿真研究、無刷直流電動機優(yōu)化設(shè)計、實驗研究、槽極匹配等方面［4-5］。目前對模塊化低速永磁同步電機的結(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。國內(nèi)外均對電機的分瓣、模塊化制作進行了探索，但都只適用于集中繞組電機定子，對普遍采用雙層疊繞組的電機卻不適用［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的研究。此研究解決了煤炭生產(chǎn)中的急切需要，有現(xiàn)實意義與工程實際價值。

1 模塊化組合式電機的結(jié)構(gòu)及原理分析

礦用大功率模塊化組合式低速直驅(qū)永磁電動機，可根據(jù)實際負載的需要投入不同數(shù)量的定子單元模塊，實現(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。在多臺電力電子電源聯(lián)合供電條件下，如何保證系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性，以及投切的準(zhǔn)確性和快速性是多變量、非線性、強耦合系統(tǒng)的綜合控制策略問題。通過冗余功率優(yōu)化控制技術(shù)，能夠解決大功率直驅(qū)電機最優(yōu)啟動問題［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利用的是定子模塊結(jié)構(gòu)，在某一單元發(fā)生問題時，其他模塊可以隨時投切，增大負載范圍，減少“大馬拉小車”的情況出現(xiàn)，繼而增強永磁同步電機的穩(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的3D 模型，圖2為模塊化永磁電機的整體結(jié)構(gòu)［9］。

圖2 模塊化永磁電機結(jié)構(gòu)

根據(jù)電機不同極數(shù)、每極每相槽數(shù)和實際需要，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的主驅(qū)動電機采用200 kW 級多模塊化組合式電機，其結(jié)構(gòu)及原理與一般的電機有差異，圖3 為傳統(tǒng)電機結(jié)構(gòu)示意圖。通過電機學(xué)原理可知：電機的極對數(shù)可與并聯(lián)的支路數(shù)一致，感應(yīng)電動機能夠支出較多的輸出端子，將多臺低壓變頻器并聯(lián)為負載供電。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)，通過電機學(xué)原理可知，模塊可以根據(jù)系統(tǒng)的需求設(shè)計成相同特性的模塊或者不同特性的模塊，多個模塊可以匹配出不同的外特性［10］。

圖3 傳統(tǒng)電機結(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

實現(xiàn)礦用大功率模塊組合式低速直驅(qū)永磁電動機機電解耦，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械解耦，從而極大增強電機裝配和維護的靈活性，提高電機系統(tǒng)的整體可靠性。本文利用增量與解析的方法分別對定子模塊大跨距線圈及小跨距線圈的節(jié)距進行計算。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)

對于大跨距線圈節(jié)距：

對于小跨距線圈節(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)的互感計算

針對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算

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

3 電磁場仿真

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）進行分析計算；

6）后處理；

7）輸出分析報告。

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

表1 樣機主要設(shè)計數(shù)據(jù)

表1 （續(xù)）

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

圖7 磁場分布

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

4 額定負載下溫度場仿真分析

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

圖8 電機軸向等效熱路模型

圖9 電機徑向等效熱路模型

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部件顏色相對應(yīng)，電機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的結(jié)構(gòu)畫出電機的熱路模型，進而對其模型進行分析，得到電機穩(wěn)態(tài)運行的溫度曲線，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、定子鐵心及機殼。定子軛部的最高溫度為119 ℃，平均溫度符合電機的溫升要求，驗證了電機設(shè)計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

針對礦用電機設(shè)計、運輸及安裝的問題，本文基于煤炭背景，設(shè)計了礦用模塊化組合式永磁電機，將其定子進行模塊化劃分，當(dāng)某一模塊出現(xiàn)故障時，其他模塊也可獨立運行，解決了維修難的問題。同時，提出了采用不等跨距繞組實現(xiàn)電氣以及機械雙重解耦，并利用Ansys 和MotorCAD 分別對電磁場及永磁電機溫度場進行仿真，驗證了電機的可靠性。