杨云峰李丽

(南车株洲电机有限公司，株洲  412001)

    摘要：用Ansoft公司的Maxwell 2D模块建市了后油钻机永磁同步电动机(PMsM)模型。通过电磁场有限元分析，得到了一组电流及磁密分布等的特性曲线，精确计算出电机性能参数，并在此基础上对电机进行优化设计；最后对优化后的电机计算分析三相瞬态短路故障情况F PMsM的运行特性，具有实际工程意义。

    关键词：永磁同步电动机电磁场有限元优化设计0 引言永磁电机的性能、设t_制造特点和应用范围都与永磁材荆的性能密切相关。随着稀土永磁材料的发展，永磁同步电动机(PMSM)表现出高效节能的优势。

    石油钻机PMSM为低速运转和重负载情况下的动力驱动装置，要求电机为多级的同步电动机，它具有效率高、安装和维护费用低、可靠性高等优点。近年来，随着构成永磁同步电动机主要成本的永磁材料…、电力电子器件、微处理器价格的不断下降，永磁同步电机应用到民用领域的时机已经成熟，使得研究永磁同步电动机成为当代电气传动的热门方向之。

    永磁同步电动机在运行过程中会遇到脉动转矩过大、局部失磁及磁南过饱和、功率密度偏低和磁等问题，分析这些问题需要借助电磁场数值计算方法才能准确分析。本文借助有限元软件仿真分析讨论石油钻机永磁同步电动机****方案的研制，仿真结果表明电机设计参数选取的合理性，为令后同类电机的研发设计提供一种比较好的分析方法。

    1电机设计分析

    1．1软件分析的必要性

由于永磁同步电动机的非线性特性关系，存电机运行过程中必然有一些参数发生非线性变化，以传统分析方式进行磁路法求解会带来很大的误差，而且由于永磁同步电动机结构的特殊性，其参数选取也很难JI传统的磁路计算方法来获得。．&nson公司推出的Maxwell 2D软件不仪具有完善的静态、瞬态电磁场分析功能，而且还具有强大的后处理功能，这就为永磁电机的设计提供一种方便、快捷的设计途径[2]。图1为石油钻机永磁同步电动机的一维模型，图2为其最小对称周期自适应网格划分图形。

 

 

    1．2优化设计流程图先用等效磁路法进行方案估算和类似结构的方案比较分析，选取仙算后的基本参数冉运用有限元软件建立电机模型[3]，确定材料属性及参数设置，通过参数化分析及优化分析确定最终方案。

    优化设计的流程图如图3所小。

    1．3主要性能对比分析

    没计电机外形尺寸，首先要确定的是定子冲片外径。表1是在小同定了冲片外径方案下主要性能对比情况：方案l发热因数较高，不能满足电机冷却的要求；

 

 

    本文电机采用内置V形永磁体结构，因此需要没计隔磁桥。表2是隔磁桥与漏磁系数的关系对比。随着隔磁桥宽的增加，漏磁系数增大，永磁用量增多。取3 mm时，漏磁系数较大，不合理；取2 mm和2．5mm时，漏磁系数变化不大；但取2．5 mm时制造工艺好些：本文隔磁桥宽取2．5 mm。

 

 

    由对比分析可知，选取合适的定子外径及隔磁桥宽，可以得到更佳的设计方案。

    1．4方案

    确立本文的方案设计最终确定为额定功率650 kw，额定线电压660 V，额疋转速为505 r／min的全封闭自扇冷永磁同步电动机，采用内转子结构，部分设计参数如表3所示。

 

 

    2有限元仿真分析

    对最终确立的方案进行电磁场仿真分析。

    2．1空载气隙磁密

    根据前面的分析介绍，本乃案采用多级多槽整数槽的电磁设计方案。分析电机的空载运行状态可知，气隙磁场没有发生电枢反应的情况下，气隙磁场的基波分量直接决定电机的空载输出电压。其波形图如图4所示，各次谐波幅值如图5所示。

 

 

 

    2． 2齿槽转矩齿

    槽转矩会引起PMsM的整体振动，影响PMsM的正常运行，设计时应尽量使其减小。图6为齿槽转矩波形。

    由图6可知齿槽转矩的周期平均值为1．61 N·m。

 

 

    2．3  电机性能分析

    通过对不同模型的对比分析，得知最终确立的模型性能参数较为理想。图7～图lO为额定转速下电机的主要性能波形图。谐波会引起电机的额外发热和负载损耗的增加及振动、噪声等，采用双层绕组及****极弧系数可减小这些空间谐波。

    2．4短路特性分析

    三相瞬态短路是实际运行过程中一种典型的故障情况，过程很短，但对永磁同步电动机的冲击力却很大。在短路故障发生时，由短路电流的瞬问幅值产生的电枢反应会对永磁体产生强烈的去磁效果。三梢短路时的A相电流变化如图11所示。图12是在A相****加载电流情况下的磁力线分布情况。由图可知，此时的电机发生了强烈的电枢反应。 

 

 

  

    3结语