礦用模塊化組合式永磁電機研究

黃澤宇，趙志剛，王 森

（沈陽工程學院a.電力學院；b.自動化學院，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構，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，提高電機的穩定性。當某個模塊出現故障時，其他模塊與轉子結合也可以繼續運行，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領域的問題。在科學層面上，這種結構的變化會給電機帶來一些分析、設計理論問題，也會帶來定子單元數與電機極數、槽數及功率、轉速等之間的基本規律問題。單元組合的結構設計、電磁設計、損耗及溫度場等是要研究探討的科學問題［1-3］。國內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、故障診斷方法、仿真研究、無刷直流電動機優化設計、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構研究比較少，關于靜態及瞬態的性能分析也較少。國內外均對電機的分瓣、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中的急切需要，有現實意義與工程實際價值。

1 模塊化組合式電機的結構及原理分析

礦用大功率模塊化組合式低速直驅永磁電動機，可根據實際負載的需要投入不同數量的定子單元模塊，實現系統性能與效率的最優化控制，提高系統的可靠性。圖1 為模塊化定子結構示意圖。在多臺電力電子電源聯合供電條件下，如何保證系統運行的平穩性，以及投切的準確性和快速性是多變量、非線性、強耦合系統的綜合控制策略問題。通過冗余功率優化控制技術，能夠解決大功率直驅電機最優啟動問題［7-8］。

圖1 模塊化定子結構

礦用模塊化組合式永磁電機利用的是定子模塊結構，在某一單元發生問題時，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，繼而增強永磁同步電機的穩定性與可靠性。定子可以在轉子裝配完成后，采用外部拼裝組成，解決了電機定轉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構［9］。

圖2 模塊化永磁電機結構

根據電機不同極數、每極每相槽數和實際需要，適當選擇定子單元數量。本文研究的模塊化組合式電機的主驅動電機采用200 kW 級多模塊化組合式電機，其結構及原理與一般的電機有差異，圖3 為傳統電機結構示意圖。通過電機學原理可知：電機的極對數可與并聯的支路數一致，感應電動機能夠支出較多的輸出端子，將多臺低壓變頻器并聯為負載供電。圖4為10支路低壓變頻器示意圖，模塊數量與輸出的端子接線排相關，通過電機學原理可知，模塊可以根據系統的需求設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 傳統電機結構

圖4 10支路低壓變頻器

2 不等跨距繞組結構研究

實現礦用大功率模塊組合式低速直驅永磁電動機機電解耦，應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距進行計算。圖5為不等跨距線圈結構示意圖［11］。

圖5 不等跨距繞組結構

對于大跨距線圈節距：

對于小跨距線圈節距：

由于采用的繞組為非常規繞組，傳統永磁電機的數學模型已不適用。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學模型方程。

1）定子單元內的互感計算

針對各模塊間不等跨距繞組的位置，能夠得到下列關系式：

相鄰之間的互感系數要大于隔相的互感系數：

繞組的互感系數二次分量與恒定分量相等，即

根據有限元分析法可得到與上述分析一致的結論。從圖6 中可以看出：相鄰電感的互感系數大于隔相的互感系數，緊鄰繞組的互感系數數值相等，相位不同。

圖6 有限元分析互感系數

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）導入/修改/建立幾何模型；

2）定義/修改材料參數、載荷及邊界條件；

3）劃分網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。本文設計研制200 kW 感應電機作為樣機，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，可以減小轉速，提高轉矩。模擬樣機的主要設計數據如表1所示。

表1 樣機主要設計數據

表1 （續）

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，而且電機內的磁力線是對稱分布的。

圖7 磁場分布

從上述的結果可以看出：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點、溫度節點、傳導熱阻、對流熱阻、熱容等，并按照相應的次序將各個節點和熱阻連接，構成高速感應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，電機的熱路模型主要包括熱容、熱阻及熱源3部分。根據礦用模塊化組合式低速電機的結構畫出電機的熱路模型，進而對其模型進行分析，得到電機穩態運行的溫度曲線，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，驗證了電機設計的可靠性與溫升的穩定性。

圖11 穩態溫度曲線

5 結語

針對礦用電機設計、運輸及安裝的問題，本文基于煤炭背景，設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，當某一模塊出現故障時，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。