大功率高速永磁同步电机的设计与分析

《大功率高速永磁同步电机的设计与分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、大功率高速永磁同步电机的设计与分析陆焕瑞王钢汪佳龙(上海海事大学上海201306)摘要：针对丙气东输过程中的10MW级变频驱动压缩机组(PDS)中，对高速直驱电动机的技术、结构和组成的要求，提出了大功率高速永磁同步电机的研制方案。木文尝试以10MW等级调速范围3120〜4800rpm和额定频率160Hz的技术要求，来设计适合丙气东输PDS中的大功率高速永磁同步电机。木文主要以Ansoft软件来设计电机，通过选择合适的技术参数来完成相应的设计。关键词：PDS组，大功率，高速，永磁同步电机，Ansoft,设

2、计与分析1引言根据10MW级变频电驱压缩机组中压大功率变频调速驱动系统(简称PDS)国产化研制及应用的项目背景，提出了10MW级变频电驱系统的技术要求，通过比较分析市场各种变频器的结构特点和国产变频电驱系统技术力量，电机通常为正压通风防爆无刷励磁同步电机，一般有低速(1000〜1500r/min)加谊轮箱和4500〜5200r/min与压缩机高速直联驱动2种方式。由于国内厂家没有成熟的产品和应用业绩，主要由SIEMENS,ABB,TEMEI。由于变频永磁同步电机能够通过降低输入电压频率实现自起动，而内置

3、的永磁体能够提供磁通以及产牛.相应的同步转矩，这样可以保证电机稳定运行时为同步电机运行状态。同时对于电机来说无需励磁电流，大大减少了定子上电流以及相应的损耗，并且在转子上几乎无电流以及铜耗。因此与传统的感应电机和励磁电机相比，具有效率高、功率因数高的优点。2大功率高速永磁同步电机的设计2.1主要设计特点永磁同步电机的定子一般与相应的异步电机的定子冲片相同，最主要的是对转子的设计。木文设计的大功率高速永磁同步电机的使用场合较为特殊，对于这样的大电机要求运行可靠、大功率、高转速、高效率、防爆要求较高。所以不

4、仅要设计合理的电磁磁路，又要在相应的技术参数基础上(机、电、热、材料、工艺、环境)对电机的性能进行改善。所以在设计过程中要综合以下方面综合考虑：(1)高压变频高压变频起动永磁同步电机无需起动绕组，这样需要人功率的变频器来与之相匹配，同样还要加强电气强度，提高安全系数。⑵大容量电机为4级，定子额定电流约为660A,额定电压约为10kV,额定功率约为10MW,定子绕组采用丫型连接方式，相数为3相，额定频率为160Hz,额定转矩为20。⑶高转速电机额定转速约为4800rpm,功率大、效率高、转速高，调速宽而且

5、能持续运行。结合实际大功率高速永磁电机技术水平，合理选择驱动压缩机方式。(4)防爆天然气是极易发生燃烧爆炸的气体，所以对电机要进行防爆措施，选择合适的材料以及防爆等级。⑸冷却中小功率电机-般是利用空气进行通风冷却，但随着单机容量的增加，大功率高速电机的散热面积和风路安排受到诸多限制，使通风冷却较为闲难。所以，为了保证电机温升不超过允许值需要用不同的冷却方式和通风系统。一般采用水风混合冷却，即内循环冷却采用水冷，外循环冷却采用风冷。2.2定转子设计图1定转子结构主要计算公式：为常数，对于大功率高速永磁同步

6、电机来说，通常把转子做的比较细长，这样有利于电机性能，一般是小型的2倍之多，这样可以保证转子具有足够的刚度和较高的临界转速。所以本文中的初步取3,这样就可以人致确定电机的主要尺T。这个值只是初步的计算结果，后面还要进行相应的优化。2.4气隙长度的确定调速永磁同步电机气隙的长度一般大于同规格感应电动机气隙的长度，II不同用途的电动机其气隙长度的取值也不相同。由于本文设计的内置式永磁冋步电机功率较大，所以气隙长度不得不做的较大，这样在一定程度上可以减少电枢绕组中产生的感应电动势中的谐波分量。所以本文中的气

7、隙的长度初步取为6mm。2.5永磁设计永磁体的尺、j*以及电机转子的磁路结构，决定了电动机的磁负荷。而磁负荷又决定了电机的功率密度和损耗，对于内置式电动机永磁体的设计有如下公式：3有限元分析3.1电机空载情况分析空载情况下电机绕组的电流基本为0,空载感应电动势小于电机的额定电压，空载气隙磁密接近正弦分布且幅值约为0.9T,空载齿部磁通密度最大值大约在1.3T,空载轭部磁密最大值大约在1.7T左右。空载情况下转矩是按照一定的幅值振动此转矩为电机的齿槽转矩可以看出电机的齿槽转矩最大值大约在100,综上所述电

8、机空载情况下运行的各项参数基本满足电机的要求，各项参数值基本保持在误差范围以内。3.2电机额定负载情况分析电机在额定负载运行的情况下（负载转矩等于电机的额定电磁转矩），三相感应电动势和三相感应磁链始终保持在电机额定值左右。在额定负载下电机的磁通密度保持较好，电机轭部磁密大约在1.8T左右，齿部磁密大约在1.5T左右。所以电机在额定状态下运行吋基本满足条件，验证了电机设计的合理性。4结论本文0的也是给大功率永磁同步电机国产化提出初步设计建议。