基于磁密分布、气隙磁密等对500kW隔爆型永磁电机电磁设计验证

【摘要】根据电机的技术指标要求进行电磁与结构设计，确定电机的各部分主要尺寸、整体结构等。然后利用有限元软件Ansoft Maxwell 2D对所设计样机方案进行电磁场数值计算，得到磁密分布、气隙磁密、空载反电势、齿槽转矩等电磁参数，对500kW隔爆型永磁电机电磁设计方案的合理性进行验证。

0 引言

目前，在石油、化工或煤炭等行业存在易燃易爆气体或煤尘的危险场所，主要使用增安型无刷励磁同步电动机和隔爆型高压异步电动机作为风机、水泵、压缩机、化工机械和输送机等配套用电机。而高压隔爆型变频驱动三相永磁同步电动机由于取消了励磁绕组，与无刷励磁同步电动机相比，不仅可靠性提高、便于维护，且效率也将提高；与异步电动机相比，不但效率提高，功率因数也得到了改善。高压隔爆型变频驱动永磁同步电动机无启动绕组、依靠变频器启动，去掉了转子上的鼠笼绕组，电动机结构简单，电机运行可靠，易于实现高速运行，响应快速。

1 电磁设计

1.1 电机额定数据和主要性能指标要求

500kW高压隔爆型变频永磁同步电动机主要性能指标要求如表1所示。

表1 电动机主要性能指标要求

1.2 电机的主要尺寸与绕组形式

针对电动机的性能指标要求，尽可能利用公司现有YB3系列高压隔爆型三相异步电动机的冲片模具，确定电机三圆尺寸为：620mm/380mm/160mm，定子槽数为48槽。

在电机定子外径确定的情况下，兼顾电机的额定输出要求，过于缩小电机体积会造成线负荷、气隙磁密或热负荷过高，不利于提高电机的效率，对电机产生不利影响，最终确定铁心长度为650mm。

电机定子绕组采用双层叠绕，这样可以通过选取合适的节距来改善气隙磁场波形，本样机方案为了同时削弱5次和7次谐波，绕组节距选择为10。为了避免不同支路中产生环流，选择并联支路数a=1。电机转子永磁体产生的气隙磁场中含有大量的谐波，为了避免3次谐波在定子绕组各相之间产生环流，绕组采用Y接。定子槽口采用磁性槽楔，以降低齿槽转矩。

1.3 转子磁路结构形式选择

永磁同步电机结构上区别于异步电机之处在于转子结构，所以本电机设计上主要集中于转子的磁路结构。根据永磁体在转子上的放置方式，转子磁路结构分为表贴式、内置以及爪极式[1]。内置式径向式结构具有漏磁系数小、转轴不需要隔磁、转子冲片机械强度高、永磁体不容易变形、结构简单的特点而被广泛应用，同时，内置径向式结构永磁体，安装在转子铁心内部，即使在电机高速运行的时候也不易被抛出，具有较高的安全系数。因此，本电机采用内置径向式转子结构。

电机采用变频启动，转子铁心中无启动笼条，永磁体拓扑结构为内置“一”型永磁体，并对永磁体进行分段，把永磁体分成两段，增加隔磁桥，以更好地改善弱磁性能、减小纹波转矩[2]。永磁体安装在转子铁心内部，其q轴电感大于d轴电感，这种转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速，调速运行范围宽。

高压永磁同步电动机由于其转子结构的特殊性，其轴向通风孔的截面积及其中心距转轴的相对位置，对电机的性能均具有较大的影响[3]。因此，需要对转子轴向通风孔的截面积和通风孔中心距进行详细计算和调整，使电动机的性能最优。

1.4 永磁体的选择及设计

永磁材料种类很多，性能差异也很大，因此，在设计时应考虑电机工作特点予以选择[4]。本电机的永磁体材料采用烧结钕铁硼材料，考虑到成本因素，选择永磁体牌号为42SH，永磁体最小剩磁感应强度Br=1.29T、矫顽力HcB=955kA/m。

永磁体设计主要是对永磁体的轴向长度Ml、磁化方向长度Mh和宽度Mb进行。通常情况下，永磁体的轴向长度与电机铁心长度相等；电机定子内径已经确定，因此宽度Mb的变化范围不大；主要是对永磁体磁化方向长度Mh进行设计，设计时主要考虑永磁体的工作点，本电机永磁体宽度Mb=140mm，磁化方向长度Mh=15mm。

1.5 电机主要参数

综合以上分析，500kW高压隔爆型变频永磁同步电动机主要参数如表2所示，电机二维结构模型如图1所示。

表 2 主要参数表

图1 样机二维结构模型图

2 结构设计

2.1 转子结构设计

自起动及变频永磁电机转子常采用拉紧螺杆结构，但此结构存在整体结构整体性差，铁心叠片易变形，磁钢易碎，运行时拉紧螺杆发热等缺点。本电机转子冲片与轴之间采用过盈配合，转子冲片与轴过盈量不大于0.25mm，并采用热套工艺装压转子铁心，整圆转子冲片加热直接套装在转轴上，设备加压，并利用转子压圈、弧键保持片间压力。转子结构简单可靠，提高了转子的整体性和机械强度，适合使用于恶劣工况。

永磁体涂环氧树脂后插入到转子铁心的磁钢槽中，再用自干环氧灌封树脂填满槽的空余处，将永磁体牢牢固定于转子铁心内部，同时，灌封环氧树脂有利于永磁体散热，防止局部过热产生退磁。转子铁心两端安装有非磁性的永磁体压板，防止高速运转时永磁体甩出，进一步增强转子的可靠性。

2.2 隔爆外壳结构设计

电动机机座与铁心采用热套配合，机座采用具有大散热表面的散热片式紧凑型结构，有效降低电机温升，机座材料选用传统HT250材料，增加机座壁厚，提高整体强度和刚性。由机座、端盖、轴承内盖、轴、接线盒组成的整个隔爆外壳具有足够的强度要求，电机可以在爆炸性危险环境中工作。同时，对外壳的隔爆结构进行改进，机座与接线盒组件之间的平面接合面改为止口接合面，使其隔爆性能更为稳定。

2.3 电机整体结构

电机整体安装尺寸符合IEC相关标准规定，并尽可能利用现有YB3系列高压隔爆电机的结构件，电机按GB3836.2的规定制成隔爆型，防爆标志为ExdⅡBT4Gb。电机整体结构如图2所示。

图2 电机整体结构图

3 有限元分析与优化

3.1 空载有限元分析

利用Maxwell2D软件来建立500kW高压隔爆型变频永磁同步电动机样机方案模型，将样机方案进行电磁场有限元数值计算，电动机空载运行磁密分布云图和磁力线分布图如图3和图4所示。可以看出磁感应强度在转子隔磁桥处达到最大，最大值约为2.3794T，其中定子轭部磁密约为1.3T，齿部磁密约1.5T。空载时磁力线分布均匀，由于定子开槽，位于永磁体中心线处的定子齿部磁力线比较密集，永磁体之间存在部分漏磁。气隙磁密分布如图5所示，气隙磁密呈正弦分布，由于定子槽的存在，使气隙磁密波形出现毛刺，最大值约为0.9T。

定子绕组空载反电势是永磁同步电动机的一个重要参数，它是在定子不施加外电压，转子带永磁体以同步转速旋转时空载气隙基波磁通在定子绕组中感应出来的电压。为了使电机具有较好的稳态性能，空载反电势应设计为额定电压的0.87～0.94倍[5]。根据仿真结果计算得到电机的空载反电动势E0=5438V，空载反电势为额定电压的0.91倍。仿真结果中电机的空载反电势不是标准的正弦波，其中含量较大的奇次谐波三相空载反电势波形如图6所示，三相对称，互差120°。

图 3 空载运行磁密分布云图

图 4 空载磁力线分布图

图 5 空载气隙磁密

齿槽转矩是所有永磁电机特有的问题之一，也是永磁电机设计中必须考虑和解决的关键问题[6]。齿槽转矩会导致电动机产生振动和噪声，若齿嘈转矩占额定转矩的比例过大会使电动机无法正常工作。电机设计时，考虑尽可能地降低齿槽转矩。根据仿真结果计算，齿槽转矩波形如图7所示，最大值约为74N·m，占额定转矩的2.3%。

图6空载相反电势波形图

图7电机空载齿槽转矩波形图

3.2 转子冲片结构优化

为了改善弱磁性能、减小纹波转矩，同时考虑到转子冲片强度和永磁体退磁情况，对转子冲片结构进行优化，把永磁体分成两段。图8给出了永磁体一字不分段式、一字两段式2种模型的转矩曲线。一字不分段式电磁转矩最大值与最小值分别为3919N·m和2449N·m，转矩波动为1470N·m，平均转矩值约为3207N·m，纹波转矩为45.8%；一字两段式电磁转矩最大值与最小值分别为3481N·m和2569N·m，转矩波动为912N·m，平均转矩值约为3032N·m，纹波转矩为30%。可以看出，一字两段式的平均转矩较一字不分段的平均转矩略有下降，但分两段后纹波转矩减小。

图8 永磁体不分段、分两段电磁转矩比较

4 结束语

根据电机的性能指标要求，设计了500kW高压隔爆型变频永磁同步电动机，并对电机进行有限元计算，验证了样机电磁设计方案的合理性。本文所设计高压隔爆型变频永磁同步电动机功率密度高，体积小，重量轻，与YBBP高压隔爆型变频调速三相异步电动机相比，相同功率可降低一个机座号。与相同规格高压异步电机相比，具有更高的效率，同时经济运行范围宽，节能降耗效果显著；功率因数高，可减小无功能量的消耗，降低配套变频器、变压器容量，系统成本低。电机转速精度主要取决于变频器输出频率的精度，控制系统简单，调速方便准确，对一台变频器控制多台电机可以实现多台电机转速一致，同时，可不需要编码器、旋转变压器等进行闭环控制。

来源：旺材电机与电控