【摘要】根據電機的技術指標要求進行電磁與結構設計， 確定電機的各部分主要尺寸、整體結構等。 然後利用有限元軟體Ansoft Maxwell 2D對所設計樣機方案進行電磁場數值計算， 得到磁密分佈、氣隙磁密、空載反電勢、齒槽轉矩等電磁參數， 對500kW隔爆型永磁電機電磁設計方案的合理性進行驗證。
0 引言
目前， 在石油、化工或煤炭等行業存在易燃易爆氣體或煤塵的危險場所， 主要使用增安型無刷勵磁同步電動機和隔爆型高壓非同步電動機作為風機、水泵、壓縮機、化工機械和輸送機等配套用電機。 而高壓隔爆型變頻驅動三相永磁同步電動機由於取消了勵磁繞組，
1 電磁設計
1.1 電機額定資料和主要性能指標要求
500kW高壓隔爆型變頻永磁同步電動機主要性能指標要求如表1所示。
表1 電動機主要性能指標要求
1.2 電機的主要尺寸與繞組形式
針對電動機的性能指標要求， 盡可能利用公司現有YB3系列高壓隔爆型三相非同步電動機的沖片模具， 確定電機三圓尺寸為：620mm/380mm/160mm， 定子槽數為48槽。
在電機定子外徑確定的情況下， 兼顧電機的額定輸出要求， 過於縮小電機體積會造成線負荷、氣隙磁密或熱負荷過高， 不利於提高電機的效率， 對電機產生不利影響， 最終確定鐵心長度為650mm。
電機定子繞組採用雙層疊繞，
1.3 轉子磁路結構形式選擇
永磁同步電機結構上區別於非同步電機之處在於轉子結構， 所以本電機設計上主要集中於轉子的磁路結構。 根據永磁體在轉子上的放置方式， 轉子磁路結構分為表貼式、內置以及爪極式[1]。 內置式徑向式結構具有漏磁係數小、轉軸不需要隔磁、轉子沖片機械強度高、永磁體不容易變形、結構簡單的特點而被廣泛應用，
電機採用變頻啟動， 轉子鐵心中無啟動籠條， 永磁體拓撲結構為內置“一”型永磁體， 並對永磁體進行分段， 把永磁體分成兩段， 增加隔磁橋， 以更好地改善弱磁性能、減小紋波轉矩[2]。 永磁體安裝在轉子鐵心內部， 其q軸電感大於d軸電感， 這種轉子磁路結構的不對稱性所產生的磁阻轉矩有助於提高電動機的超載能力和功率密度， 而且易於“弱磁”擴速， 調速運行範圍寬。
高壓永磁同步電動機由於其轉子結構的特殊性，
1.4 永磁體的選擇及設計
永磁材料種類很多， 性能差異也很大， 因此， 在設計時應考慮電機工作特點予以選擇[4]。 本電機的永磁體材料採用燒結釹鐵硼材料， 考慮到成本因素， 選擇永磁體牌號為42SH， 永磁體最小剩磁感應強度Br=1.29T、矯頑力HcB=955kA/m。
永磁體設計主要是對永磁體的軸向長度Ml、磁化方向長度Mh和寬度Mb進行。 通常情況下， 永磁體的軸向長度與電機鐵心長度相等；電機定子內徑已經確定， 因此寬度Mb的變化範圍不大；主要是對永磁體磁化方向長度Mh進行設計， 設計時主要考慮永磁體的工作點，本電機永磁體寬度Mb=140mm，磁化方向長度Mh=15mm。
1.5 電機主要參數
綜合以上分析，500kW高壓隔爆型變頻永磁同步電動機主要參數如表2所示，電機二維結構模型如圖1所示。
表 2 主要參數表
圖1 樣機二維結構模型圖
2 結構設計
2.1 轉子結構設計
自起動及變頻永磁電機轉子常採用拉緊螺杆結構，但此結構存在整體結構整體性差，鐵心疊片易變形，磁鋼易碎，運行時拉緊螺杆發熱等缺點。本電機轉子沖片與軸之間採用過盈配合，轉子沖片與軸過盈量不大於0.25mm，並採用熱套工藝裝壓轉子鐵心，整圓轉子沖片加熱直接套裝在轉軸上，設備加壓，並利用轉子壓圈、弧鍵保持片間壓力。轉子結構簡單可靠，提高了轉子的整體性和機械強度，適合使用於惡劣工況。
永磁體塗環氧樹脂後插入到轉子鐵心的磁鋼槽中，再用自幹環氧灌封樹脂填滿槽的空餘處，將永磁體牢牢固定於轉子鐵心內部，同時，灌封環氧樹脂有利於永磁體散熱，防止局部過熱產生退磁。轉子鐵心兩端安裝有非磁性的永磁體壓板，防止高速運轉時永磁體甩出，進一步增強轉子的可靠性。
2.2 隔爆外殼結構設計
電動機機座與鐵心採用熱套配合，機座採用具有大散熱表面的散熱片式緊湊型結構，有效降低電機溫升，機座材料選用傳統HT250材料，增加機座壁厚，提高整體強度和剛性。由機座、端蓋、軸承內蓋、軸、接線盒組成的整個隔爆外殼具有足夠的強度要求，電機可以在爆炸性危險環境中工作。同時，對外殼的隔爆結構進行改進，機座與接線盒元件之間的平面接合面改為止口接合面，使其隔爆性能更為穩定。
2.3 電機整體結構
電機整體安裝尺寸符合IEC相關標準規定，並盡可能利用現有YB3系列高壓隔爆電機的結構件，電機按GB3836.2的規定製成隔爆型，防爆標誌為ExdⅡBT4Gb。電機整體結構如圖2所示。
圖2 電機整體結構圖
3 有限元分析與優化
3.1 空載有限元分析
利用Maxwell2D軟體來建立500kW高壓隔爆型變頻永磁同步電動機樣機方案模型，將樣機方案進行電磁場有限元數值計算，電動機空載運行磁密分佈雲圖和磁力線分佈圖如圖3和圖4所示。可以看出磁感應強度在轉子隔磁橋處達到最大，最大值約為2.3794T，其中定子軛部磁密約為1.3T，齒部磁密約1.5T。空載時磁力線分佈均勻，由於定子開槽，位於永磁體中心線處的定子齒部磁力線比較密集，永磁體之間存在部分漏磁。氣隙磁密分佈如圖5所示，氣隙磁密呈正弦分佈，由於定子槽的存在，使氣隙磁密波形出現毛刺，最大值約為0.9T。
定子繞組空載反電勢是永磁同步電動機的一個重要參數，它是在定子不施加外電壓，轉子帶永磁體以同步轉速旋轉時空載氣隙基波磁通在定子繞組中感應出來的電壓。為了使電機具有較好的穩態性能，空載反電勢應設計為額定電壓的0.87～0.94倍[5]。根據模擬結果計算得到電機的空載反電動勢E0=5438V，空載反電勢為額定電壓的0.91倍。模擬結果中電機的空載反電勢不是標準的正弦波，其中含量較大的奇次諧波三相空載反電勢波形如圖6所示，三相對稱，互差120°。
圖 3 空載運行磁密分佈雲圖
圖 4 空載磁力線分佈圖
圖 5 空載氣隙磁密
齒槽轉矩是所有永磁電機特有的問題之一，也是永磁電機設計中必須考慮和解決的關鍵問題[6]。齒槽轉矩會導致電動機產生振動和雜訊，若齒嘈轉矩占額定轉矩的比例過大會使電動機無法正常工作。電機設計時，考慮盡可能地降低齒槽轉矩。根據模擬結果計算，齒槽轉矩波形如圖7所示，最大值約為74N·m，占額定轉矩的2.3%。
圖6空載相反電勢波形圖
圖7電機空載齒槽轉矩波形圖
3.2 轉子沖片結構優化
為了改善弱磁性能、減小紋波轉矩，同時考慮到轉子沖片強度和永磁體退磁情況，對轉子沖片結構進行優化，把永磁體分成兩段。圖8給出了永磁體一字不分段式、一字兩段式2種模型的轉矩曲線。一字不分段式電磁轉矩最大值與最小值分別為3919N·m和2449N·m，轉矩波動為1470N·m，平均轉矩值約為3207N·m，紋波轉矩為45.8%；一字兩段式電磁轉矩最大值與最小值分別為3481N·m和2569N·m，轉矩波動為912N·m，平均轉矩值約為3032N·m，紋波轉矩為30%。可以看出，一字兩段式的平均轉矩較一字不分段的平均轉矩略有下降，但分兩段後紋波轉矩減小。
圖8 永磁體不分段、分兩段電磁轉矩比較
4 結束語
根據電機的性能指標要求，設計了500kW高壓隔爆型變頻永磁同步電動機，並對電機進行有限元計算，驗證了樣機電磁設計方案的合理性。本文所設計高壓隔爆型變頻永磁同步電動機功率密度高，體積小，重量輕，與YBBP高壓隔爆型變頻調速三相非同步電動機相比，相同功率可降低一個機座號。與相同規格高壓非同步電機相比，具有更高的效率，同時經濟運行範圍寬，節能降耗效果顯著；功率因數高，可減小無功能量的消耗，降低配套變頻器、變壓器容量，系統成本低。電機轉速精度主要取決於變頻器輸出頻率的精度，控制系統簡單，調速方便準確，對一台變頻器控制多台電機可以實現多台電機轉速一致，同時，可不需要編碼器、旋轉變壓器等進行閉環控制。
設計時主要考慮永磁體的工作點，本電機永磁體寬度Mb=140mm，磁化方向長度Mh=15mm。1.5 電機主要參數
綜合以上分析，500kW高壓隔爆型變頻永磁同步電動機主要參數如表2所示，電機二維結構模型如圖1所示。
表 2 主要參數表
圖1 樣機二維結構模型圖
2 結構設計
2.1 轉子結構設計
自起動及變頻永磁電機轉子常採用拉緊螺杆結構，但此結構存在整體結構整體性差，鐵心疊片易變形，磁鋼易碎，運行時拉緊螺杆發熱等缺點。本電機轉子沖片與軸之間採用過盈配合，轉子沖片與軸過盈量不大於0.25mm，並採用熱套工藝裝壓轉子鐵心，整圓轉子沖片加熱直接套裝在轉軸上，設備加壓，並利用轉子壓圈、弧鍵保持片間壓力。轉子結構簡單可靠，提高了轉子的整體性和機械強度，適合使用於惡劣工況。
永磁體塗環氧樹脂後插入到轉子鐵心的磁鋼槽中，再用自幹環氧灌封樹脂填滿槽的空餘處，將永磁體牢牢固定於轉子鐵心內部，同時，灌封環氧樹脂有利於永磁體散熱，防止局部過熱產生退磁。轉子鐵心兩端安裝有非磁性的永磁體壓板，防止高速運轉時永磁體甩出，進一步增強轉子的可靠性。
2.2 隔爆外殼結構設計
電動機機座與鐵心採用熱套配合，機座採用具有大散熱表面的散熱片式緊湊型結構，有效降低電機溫升，機座材料選用傳統HT250材料，增加機座壁厚，提高整體強度和剛性。由機座、端蓋、軸承內蓋、軸、接線盒組成的整個隔爆外殼具有足夠的強度要求，電機可以在爆炸性危險環境中工作。同時，對外殼的隔爆結構進行改進，機座與接線盒元件之間的平面接合面改為止口接合面，使其隔爆性能更為穩定。
2.3 電機整體結構
電機整體安裝尺寸符合IEC相關標準規定，並盡可能利用現有YB3系列高壓隔爆電機的結構件，電機按GB3836.2的規定製成隔爆型，防爆標誌為ExdⅡBT4Gb。電機整體結構如圖2所示。
圖2 電機整體結構圖
3 有限元分析與優化
3.1 空載有限元分析
利用Maxwell2D軟體來建立500kW高壓隔爆型變頻永磁同步電動機樣機方案模型，將樣機方案進行電磁場有限元數值計算，電動機空載運行磁密分佈雲圖和磁力線分佈圖如圖3和圖4所示。可以看出磁感應強度在轉子隔磁橋處達到最大，最大值約為2.3794T，其中定子軛部磁密約為1.3T，齒部磁密約1.5T。空載時磁力線分佈均勻，由於定子開槽，位於永磁體中心線處的定子齒部磁力線比較密集，永磁體之間存在部分漏磁。氣隙磁密分佈如圖5所示，氣隙磁密呈正弦分佈，由於定子槽的存在，使氣隙磁密波形出現毛刺，最大值約為0.9T。
定子繞組空載反電勢是永磁同步電動機的一個重要參數，它是在定子不施加外電壓，轉子帶永磁體以同步轉速旋轉時空載氣隙基波磁通在定子繞組中感應出來的電壓。為了使電機具有較好的穩態性能，空載反電勢應設計為額定電壓的0.87～0.94倍[5]。根據模擬結果計算得到電機的空載反電動勢E0=5438V，空載反電勢為額定電壓的0.91倍。模擬結果中電機的空載反電勢不是標準的正弦波，其中含量較大的奇次諧波三相空載反電勢波形如圖6所示，三相對稱，互差120°。
圖 3 空載運行磁密分佈雲圖
圖 4 空載磁力線分佈圖
圖 5 空載氣隙磁密
齒槽轉矩是所有永磁電機特有的問題之一，也是永磁電機設計中必須考慮和解決的關鍵問題[6]。齒槽轉矩會導致電動機產生振動和雜訊，若齒嘈轉矩占額定轉矩的比例過大會使電動機無法正常工作。電機設計時，考慮盡可能地降低齒槽轉矩。根據模擬結果計算，齒槽轉矩波形如圖7所示，最大值約為74N·m，占額定轉矩的2.3%。
圖6空載相反電勢波形圖
圖7電機空載齒槽轉矩波形圖
3.2 轉子沖片結構優化
為了改善弱磁性能、減小紋波轉矩，同時考慮到轉子沖片強度和永磁體退磁情況，對轉子沖片結構進行優化，把永磁體分成兩段。圖8給出了永磁體一字不分段式、一字兩段式2種模型的轉矩曲線。一字不分段式電磁轉矩最大值與最小值分別為3919N·m和2449N·m，轉矩波動為1470N·m，平均轉矩值約為3207N·m，紋波轉矩為45.8%；一字兩段式電磁轉矩最大值與最小值分別為3481N·m和2569N·m，轉矩波動為912N·m，平均轉矩值約為3032N·m，紋波轉矩為30%。可以看出，一字兩段式的平均轉矩較一字不分段的平均轉矩略有下降，但分兩段後紋波轉矩減小。
圖8 永磁體不分段、分兩段電磁轉矩比較
4 結束語
根據電機的性能指標要求，設計了500kW高壓隔爆型變頻永磁同步電動機，並對電機進行有限元計算，驗證了樣機電磁設計方案的合理性。本文所設計高壓隔爆型變頻永磁同步電動機功率密度高，體積小，重量輕，與YBBP高壓隔爆型變頻調速三相非同步電動機相比，相同功率可降低一個機座號。與相同規格高壓非同步電機相比，具有更高的效率，同時經濟運行範圍寬，節能降耗效果顯著；功率因數高，可減小無功能量的消耗，降低配套變頻器、變壓器容量，系統成本低。電機轉速精度主要取決於變頻器輸出頻率的精度，控制系統簡單，調速方便準確，對一台變頻器控制多台電機可以實現多台電機轉速一致，同時，可不需要編碼器、旋轉變壓器等進行閉環控制。