楊云峰李麗

(南車株洲電機有限公司，株洲  412001)

    摘要：用Ansoft公司的Maxwell 2D模塊建市了后油鉆機永磁同步電動機(PMsM)模型。通過電磁場有限元分析，得到了一組電流及磁密分布等的特性曲線，精確計算出電機性能參數，并在此基礎上對電機進行優化設計；最后對優化后的電機計算分析三相瞬態短路故障情況F PMsM的運行特性，具有實際工程意義。

    關鍵詞：永磁同步電動機電磁場有限元優化設計0 引言永磁電機的性能、設t_制造特點和應用范圍都與永磁材荊的性能密切相關。隨著稀土永磁材料的發展，永磁同步電動機(PMSM)表現出高效節能的優勢。

    石油鉆機PMSM為低速運轉和重負載情況下的動力驅動裝置，要求電機為多級的同步電動機，它具有效率高、安裝和維護費用低、可靠性高等優點。近年來，隨著構成永磁同步電動機主要成本的永磁材料…、電力電子器件、微處理器價格的不斷下降，永磁同步電機應用到民用領域的時機已經成熟，使得研究永磁同步電動機成為當代電氣傳動的熱門方向之。

    永磁同步電動機在運行過程中會遇到脈動轉矩過大、局部失磁及磁南過飽和、功率密度偏低和磁等問題，分析這些問題需要借助電磁場數值計算方法才能準確分析。本文借助有限元軟件仿真分析討論石油鉆機永磁同步電動機****方案的研制，仿真結果表明電機設計參數選取的合理性，為令后同類電機的研發設計提供一種比較好的分析方法。

    1電機設計分析

    1．1軟件分析的必要性

由于永磁同步電動機的非線性特性關系，存電機運行過程中必然有一些參數發生非線性變化，以傳統分析方式進行磁路法求解會帶來很大的誤差，而且由于永磁同步電動機結構的特殊性，其參數選取也很難JI傳統的磁路計算方法來獲得。．&nson公司推出的Maxwell 2D軟件不儀具有完善的靜態、瞬態電磁場分析功能，而且還具有強大的后處理功能，這就為永磁電機的設計提供一種方便、快捷的設計途徑[2]。圖1為石油鉆機永磁同步電動機的一維模型，圖2為其最小對稱周期自適應網格劃分圖形。

 

 

    1．2優化設計流程圖先用等效磁路法進行方案估算和類似結構的方案比較分析，選取仙算后的基本參數冉運用有限元軟件建立電機模型[3]，確定材料屬性及參數設置，通過參數化分析及優化分析確定最終方案。

    優化設計的流程圖如圖3所小。

    1．3主要性能對比分析

    沒計電機外形尺寸，首先要確定的是定子沖片外徑。表1是在小同定了沖片外徑方案下主要性能對比情況：方案l發熱因數較高，不能滿足電機冷卻的要求；

 

 

    本文電機采用內置V形永磁體結構，因此需要沒計隔磁橋。表2是隔磁橋與漏磁系數的關系對比。隨著隔磁橋寬的增加，漏磁系數增大，永磁用量增多。取3 mm時，漏磁系數較大，不合理；取2 mm和2．5mm時，漏磁系數變化不大；但取2．5 mm時制造工藝好些：本文隔磁橋寬取2．5 mm。

 

 

    由對比分析可知，選取合適的定子外徑及隔磁橋寬，可以得到更佳的設計方案。

    1．4方案

    確立本文的方案設計最終確定為額定功率650 kw，額定線電壓660 V，額疋轉速為505 r／min的全封閉自扇冷永磁同步電動機，采用內轉子結構，部分設計參數如表3所示。

 

 

    2有限元仿真分析

    對最終確立的方案進行電磁場仿真分析。

    2．1空載氣隙磁密

    根據前面的分析介紹，本乃案采用多級多槽整數槽的電磁設計方案。分析電機的空載運行狀態可知，氣隙磁場沒有發生電樞反應的情況下，氣隙磁場的基波分量直接決定電機的空載輸出電壓。其波形圖如圖4所示，各次諧波幅值如圖5所示。

 

 

 

    2． 2齒槽轉矩齒

    槽轉矩會引起PMsM的整體振動，影響PMsM的正常運行，設計時應盡量使其減小。圖6為齒槽轉矩波形。

    由圖6可知齒槽轉矩的周期平均值為1．61 N·m。

 

 

    2．3  電機性能分析

    通過對不同模型的對比分析，得知最終確立的模型性能參數較為理想。圖7～圖lO為額定轉速下電機的主要性能波形圖。諧波會引起電機的額外發熱和負載損耗的增加及振動、噪聲等，采用雙層繞組及****極弧系數可減小這些空間諧波。

    2．4短路特性分析

    三相瞬態短路是實際運行過程中一種典型的故障情況，過程很短，但對永磁同步電動機的沖擊力卻很大。在短路故障發生時，由短路電流的瞬問幅值產生的電樞反應會對永磁體產生強烈的去磁效果。三梢短路時的A相電流變化如圖11所示。圖12是在A相****加載電流情況下的磁力線分布情況。由圖可知，此時的電機發生了強烈的電樞反應。 

 

 

  

    3結語