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    新型永磁同步頂驅(qū)電機(jī)設(shè)計(jì)與研究

    2012-07-04 02:46:10王云洪張國平陳起旭
    船電技術(shù) 2012年1期
    關(guān)鍵詞:冷卻空氣頂驅(qū)永磁

    王云洪 張國平 陳起旭

    ((中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所,武漢430064)

    0 引言

    海洋石油天然氣是石油行業(yè)的未來,而海洋石油的開采離不開頂驅(qū)等相關(guān)設(shè)備。由于工作環(huán)境惡劣,對設(shè)備的可靠性要求高等因素,目前,我國使用的頂驅(qū)電機(jī)基本是從國外進(jìn)口。因此,研發(fā)滿足工況的頂驅(qū)電機(jī),提高該領(lǐng)域產(chǎn)品的國產(chǎn)化率,降低成本非常迫切。

    目前所用頂驅(qū)電機(jī)主要為異步電動(dòng)機(jī),存在電機(jī)性能和工作工況不吻合、絕緣壽命低等問題,嚴(yán)重影響了開采的進(jìn)度和效率,需要一種滿足頂驅(qū)設(shè)備工況、具備較長絕緣壽命的電機(jī)來替代現(xiàn)有電機(jī)。

    本文根據(jù)頂驅(qū)電機(jī)實(shí)際工況出現(xiàn)的問題,研究了新型永磁同步電動(dòng)機(jī)[1,2,4]。如圖 1 所示,該電機(jī)采用最優(yōu)的電磁設(shè)計(jì)方案,使電機(jī)性能滿足頂驅(qū)電機(jī)特定的工況,緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、獨(dú)特的冷卻系統(tǒng),解決了工作環(huán)境中因鹽霧對電機(jī)繞組絕緣破壞的問題,滿足了實(shí)際惡劣的工作環(huán)境。

    圖1 頂驅(qū)電機(jī)圖

    1 設(shè)計(jì)原理

    1) 采用弱磁調(diào)速原理滿足恒功率性能要求;

    2) 采用緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以滿足現(xiàn)場安裝;

    3) 采用定子軛部開孔通風(fēng)的冷卻方式,避免冷卻空氣中的鹽霧對繞組的破壞。

    主要技術(shù)指標(biāo):

    額定功率:257 kW;額定電壓 600 V;額定工作頻率60 Hz;工作頻率范圍0-120 Hz;最高恒功轉(zhuǎn)速2400 r/min;額定效率>95 % 。

    2 設(shè)計(jì)過程

    2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)

    2.1.1 電機(jī)主要尺寸的確定

    1) 極數(shù):6極

    2) 定子槽數(shù)及槽型:54槽,平行槽

    3) 轉(zhuǎn)子磁鋼:內(nèi)置式V形

    4) 定子沖片及鐵心尺寸

    定子沖片圖如圖2所示。

    圖2 定子沖片圖

    5) 定子繞組采用短距波形繞組,8/9跨接,3相星形聯(lián)結(jié)。

    2.1.2 電機(jī)電磁場仿真

    主要仿真了電機(jī)空載特性和負(fù)載特性[6],其中磁鋼hcc=890100 A/m,Br=1.116 T。

    1) 計(jì)算空載磁密分布如圖3所示

    圖3 空載磁密云圖

    2) 加載幅值為400 A的三相正弦電流時(shí),計(jì)算負(fù)載磁密分布如圖4所示

    3)弱磁調(diào)速計(jì)算

    轉(zhuǎn)速變?yōu)?400轉(zhuǎn),保持電流不變,控制電流超前導(dǎo)通70°,轉(zhuǎn)矩波形如圖5所示,平均值為1020 N·m。

    從結(jié)果中可以看出 內(nèi)功率因數(shù)角為 70°時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩平均值為1020 N·m,約等于額定轉(zhuǎn)矩除以2,轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速2倍,功率基本不變。所以認(rèn)為可以弱磁調(diào)速到2400 rpm。

    圖4 負(fù)載磁密云圖

    圖5 內(nèi)功率因數(shù)角為70°的轉(zhuǎn)矩波形

    2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    電機(jī)結(jié)構(gòu)見圖 6,其中:風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)-1,風(fēng)機(jī)-2,盤剎支架-3,風(fēng)箱-4,進(jìn)風(fēng)口-5,密封橡膠-6,電機(jī)定子-7,電機(jī)轉(zhuǎn)子-8,出風(fēng)口-9。

    圖6 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

    風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)1和風(fēng)機(jī)2通過盤剎支架3固定在電機(jī)上。風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)1帶動(dòng)風(fēng)機(jī)2,將冷卻空氣吸入風(fēng)箱4;冷卻空氣從進(jìn)風(fēng)口5進(jìn)入,被密封橡膠6堵住不能進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部,只能通過電機(jī)定子7的通風(fēng)孔,然后從出風(fēng)口9流出。電機(jī)工作時(shí),冷卻空氣只經(jīng)過密封橡膠6和電機(jī)定子7的軛部,將定子繞組的熱量帶走而不會接觸到電機(jī)繞組。當(dāng)環(huán)境很惡劣,如空氣鹽霧和水分含量很高時(shí),冷卻空氣通過電機(jī)時(shí)不會對電機(jī)繞組絕緣產(chǎn)生破壞。

    下面是電機(jī)結(jié)構(gòu)場仿真。主要校核了轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度及應(yīng)力、位移分布[3,5]。其中轉(zhuǎn)子部分因周期對稱性,只考慮了1/6模型。

    轉(zhuǎn)子主要參數(shù)及工況:

    硅鋼片彈性模量2.1E11 Pa,泊松比0.27,永磁體彈性模量1.13E11 Pa,泊松比0.23,轉(zhuǎn)速按最高轉(zhuǎn)速2400 r/min來考慮。

    計(jì)算轉(zhuǎn)子節(jié)點(diǎn)合位移,如圖7所示。其中合位移最大值為0.00576 mm,發(fā)生在兩塊永磁體之間的轉(zhuǎn)子鐵心的外圓周部分,若不考慮轉(zhuǎn)子部分相對于定子部分的偏心,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.1倍的氣隙。

    圖7 節(jié)點(diǎn)合位移USUM圖

    計(jì)算等效應(yīng)力,如圖8所示。其中最大等效應(yīng)力為89.5 MPa,發(fā)生在隔磁橋部分,而硅鋼片的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到340~440 MPa。通過分析合位移、等效應(yīng)力均在許應(yīng)的范圍之內(nèi)。

    圖8 等效應(yīng)力圖

    2.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)

    冷卻風(fēng)通過繞組端部時(shí),其中的鹽霧等會破壞繞組絕緣。在此,提出一種方案,讓冷卻風(fēng)只通過電機(jī)鐵心,而不接觸到繞組,這樣,既可以散熱,又可以不破壞繞組絕緣。

    在定子鐵心開通風(fēng)孔,密封住定子繞組端部,使冷卻空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入,在通過定子鐵心通風(fēng)孔,從出風(fēng)口散發(fā)到空氣中。冷卻空氣含有大量的鹽霧,但沒有接觸到繞組,在帶走電機(jī)熱量的同時(shí),沒有破壞繞組絕緣,大大提高了電機(jī)的使用壽命。

    3 結(jié)論

    在電機(jī)的研制過程中,遇到了很多技術(shù)難點(diǎn),比如電機(jī)體積小、功率大、發(fā)熱嚴(yán)重;定子繞組端部安放空間??;繞組容易絕緣破壞等問題,得到了逐一攻克。

    該電機(jī)采用無機(jī)座結(jié)構(gòu),大大縮小了體積和重量,符合工作環(huán)境尺寸安裝的要求。通過負(fù)載試驗(yàn)表明,在轉(zhuǎn)速1200 r/min以下,該電機(jī)擁有良好的恒轉(zhuǎn)矩特性,滿足工況的需要。通過弱磁調(diào)速試驗(yàn)表明,該電機(jī)有良好的調(diào)速性能,能夠達(dá)到兩倍的弱磁調(diào)速,達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。采用獨(dú)特的強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu),為不同冷卻方式的研究提供一種新的方向。通過發(fā)熱試驗(yàn)表明,該電機(jī)發(fā)熱良好,符合F級絕緣溫升的要求。研制的樣機(jī)如圖9所示。

    圖9 永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)物圖

    對于低轉(zhuǎn)速運(yùn)行而需要高轉(zhuǎn)矩輸出的使用環(huán)境,永磁電機(jī)有天然的優(yōu)勢,該設(shè)計(jì)方法完全針對頂驅(qū)、提升機(jī)等工作環(huán)境惡劣、需要低速大扭矩的使用條件,對帶減速箱設(shè)備進(jìn)行直驅(qū)替代也是該型電機(jī)的一個(gè)主要優(yōu)勢。通過257 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究表明:已掌握頂驅(qū)用 257 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù),填補(bǔ)了國內(nèi)空白,為下一步設(shè)計(jì)制造更高功率的同類型電機(jī)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),具有很好的市場前景。

    [1]王秀和. 永磁電機(jī). 北京: 中國電力出版社, 2007.

    [2]唐任遠(yuǎn) 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.

    [3]姜彤, 李殿起, 韓立. ANSYS在永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度接觸有限元分析中的應(yīng)用. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(11): 87~89.

    [4]陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

    [5]龔曙光, 黃云清, 有限元分析與ANSYS APDL編程與高級應(yīng)用. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

    [6]NICOLA, BIANCHI. Electrical machine analysis using finite elements [M]. New York : Taylor&Francis Group Press, 2005.

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