(1河北乾順節(jié)能科技有限公司，河北邯鄲 314001；2浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江杭州 310027)

0 引言

外轉(zhuǎn)子永磁電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)避免高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)永磁體的作用；在安裝的過(guò)程中應(yīng)避免定子鐵心磕碰到永磁體，損壞永磁體。

表貼型外轉(zhuǎn)子永磁電動(dòng)機(jī)，其永磁體通過(guò)螺栓及壓板安裝在旋轉(zhuǎn)的殼體上，在運(yùn)行過(guò)程中外轉(zhuǎn)子不利于散熱。

1 隔爆型三相永磁外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)

目前礦用隔爆型三相外轉(zhuǎn)子永磁電動(dòng)機(jī)多采用徑向表貼型磁路結(jié)構(gòu)，如圖1所示，永磁體為瓦狀結(jié)構(gòu)，安裝磁極位置順序依次貼附在轉(zhuǎn)子筒內(nèi)壁上，永磁體由壓板固定，壓板采用鋁制條狀結(jié)構(gòu)，在兩極磁鋼之間的轉(zhuǎn)子筒上加工螺紋孔，壓板上對(duì)應(yīng)鉆通孔，螺釘將壓板固定在轉(zhuǎn)子筒皮上的同時(shí)，將永磁體壓緊固定。

這種結(jié)構(gòu)方式在制造過(guò)程中，具有工藝復(fù)雜、裝配難度大、浪費(fèi)材料、成本高等缺點(diǎn)。

(1)采用螺栓固定永磁體，裝配中極易損壞永磁體；

(2)對(duì)螺紋孔位置精度要求很高，偏差如果超出允許范圍，直接導(dǎo)致永磁體無(wú)法安裝。即使安裝完成，同一極永磁體偏移的情況時(shí)常出現(xiàn)；

(3)永磁體直接作為轉(zhuǎn)子表面，不利于對(duì)永磁體進(jìn)行機(jī)械防護(hù)，同時(shí)，在運(yùn)行過(guò)程中，永磁體直接受到定子熱輻射，會(huì)增加永磁體失磁風(fēng)險(xiǎn)；

(4)滾筒外壁進(jìn)行鉆孔，對(duì)防爆殼體的密閉性存在大的風(fēng)險(xiǎn)；

(5)瓦片形永磁體加工難度較大，成本較高；

(6)對(duì)螺紋孔陣列進(jìn)行堵焊過(guò)程中，焊接量過(guò)大會(huì)造成殼體變形，不但不利于裝配，而且影響了電機(jī)的氣隙不均勻度。

圖1 現(xiàn)有外轉(zhuǎn)子永磁電動(dòng)機(jī)磁極安裝方式

2 外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)基本定額參數(shù)

以200kW-60極規(guī)格為例進(jìn)行分析。其參數(shù)為

(1)相數(shù)m：3

(2)額定頻率f：24Hz

(3)額定功率P：200kW

(4)額定電壓Un：1140V

(5)額定電流In：120.85A

(6)極數(shù)：2p=60

(7)額定效率η：93.7%

(8)功率因數(shù)cosΦ：0.947

(9)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tmax：1.78

3 電磁分析

3.1 外轉(zhuǎn)子電機(jī)整機(jī)電磁參數(shù)

利用Matlab計(jì)算程序?qū)﹄妱?dòng)機(jī)電磁進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如下

功率Pn=200.00kW；額定相電壓Un=620.00V；頻率f=24.000Hz；相數(shù)m=3；極對(duì)數(shù)p=30；運(yùn)行溫度tempt=75℃；漏磁系數(shù)SIGMA0=1.200；額定電流IN0N=120.85A；轉(zhuǎn)矩T2N=39669.20N·m；轉(zhuǎn)速=48.000r/min；總損耗SUMPN=13489.02W；效率effoN=0.937 95；功率因數(shù)PFN=0.947 96；轉(zhuǎn)矩角STAN=28.75°；最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tmax=1.785;熱負(fù)荷A1J1=1302.29A2(cm·mm2)

3.2 分析計(jì)算

利用Ansoft有限元分析軟件對(duì)隔爆型三相永磁外轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)(200kW-60極)進(jìn)行空載穩(wěn)態(tài)及負(fù)載過(guò)程分析，以驗(yàn)證其性能。

根據(jù)電機(jī)的電磁參數(shù)，建立該電機(jī)的簡(jiǎn)化二維模型，如圖2所示。模型略去了對(duì)電磁無(wú)影響的電機(jī)軸向散熱結(jié)構(gòu)等部位。電磁參數(shù)包括電機(jī)的基本定額參數(shù)以及定子內(nèi)外徑及槽型、定子繞組、轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑及磁鋼等幾何參數(shù)。為提升計(jì)算速度，采用四分之一幾何模型。

圖2 電機(jī)二維模型

3.3 空載分析結(jié)果

3.3.1 磁力線分布及磁密云圖

電機(jī)磁力線分布及磁密云圖局部放大圖如圖3、圖4所示。

圖3 磁力線分布及局部放大圖

圖4 磁密云圖及局部放大圖

3.3.2 空載反電動(dòng)勢(shì)

電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)波形如圖6所示。圖7為空載反電動(dòng)勢(shì)的A相傅里葉分解，可以看出，反電勢(shì)諧波很小。

圖5 空載反電動(dòng)勢(shì)波形

圖6 反電勢(shì)A相傅里葉分解

3.3.3 空載氣隙磁密

電機(jī)空載穩(wěn)態(tài)時(shí)徑向氣隙磁密波形如圖7所示。從圖中可以看出，氣隙磁密整體呈正弦曲線分布，由于定子槽的存在，不可避免地存在諧波。圖8為氣隙磁密的傅里葉分解圖，諧波次數(shù)較多，但幅值都很小。

圖7 空載徑向氣隙磁密波形

圖8 空載徑向氣隙磁密的傅里葉分解

3.4 負(fù)載分析結(jié)果

額定輸出轉(zhuǎn)矩，見(jiàn)圖9。

圖9 負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形

3.5 結(jié)果說(shuō)明及分析結(jié)論

(1)由圖3知，電機(jī)磁力線分布合理，磁密分布合理，磁路飽和度合適。

(2)由圖4知，定子齒部未出現(xiàn)嚴(yán)重飽和。

(3)由圖5、圖6知，電機(jī)的空載反電勢(shì)波形接近正弦波，正弦率較高，且反電勢(shì)有效值與Matlab計(jì)算值基本相等。由于定子槽為開(kāi)口槽，不可避免地存在諧波，但諧波含量也較少。

(4)由圖7、圖8知，空載氣隙磁密正弦畸變率低，波形近似正弦。

(5)由圖9知，電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩與Matlab計(jì)算基本相同。

4 轉(zhuǎn)子沖片及樣機(jī)

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有產(chǎn)品工藝性上的缺陷，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)子沖片的隔磁橋設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖10)，隔磁橋既要保證隔磁效果，還要考慮其加工可行性及強(qiáng)度要求。

轉(zhuǎn)子采用整圓片落料，單槽沖沖壓，材料選用與定子沖片相同50W470，通過(guò)疊壓胎具與永磁體的替塊，進(jìn)行疊裝后，熱套入滾筒內(nèi)(加熱滾筒)。

通過(guò)電磁仿真分析與工藝驗(yàn)證，采用，隔磁橋在0.5～1.2mm滿足要求。具體情況還需要根據(jù)實(shí)際沖壓工藝進(jìn)行確定。在工藝條件滿足的情況下，隔磁橋盡量設(shè)計(jì)的小這樣可以減少漏磁節(jié)約永磁體。

圖10 轉(zhuǎn)子沖片及永磁體安裝

圖11 為內(nèi)置永磁體樣機(jī)

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.1 空載試驗(yàn)

空載相反電動(dòng)勢(shì)625V。

表1 空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.2 負(fù)載試驗(yàn)

表2 負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.3 溫升試驗(yàn)

表3 溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與原徑向表貼型永磁電動(dòng)滾筒性能基本一致。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有隔爆型三相永磁外傳子電動(dòng)機(jī)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，得到如下結(jié)論。

(1)沖片沖壓精度高，整體性好，永磁體安裝方便，同時(shí)可以保證同一極永磁體不偏移；

(2)內(nèi)置永磁體布置方式有助于減少永磁體機(jī)械損傷概率和熱輻射影響；

(3)永磁體的形狀由瓦狀改為長(zhǎng)方體后，提高了工藝性，降低了制造成本；

(4)筒皮無(wú)需大量攻鉆螺紋孔，改善了筒皮強(qiáng)度，完全避免了因滾筒上打孔而存在的失爆風(fēng)險(xiǎn)；提高了內(nèi)徑精度，有利于保持氣隙均勻。

通過(guò)運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，由徑向表貼改為徑向內(nèi)置后，電動(dòng)機(jī)性能基本保持不變，并在此基礎(chǔ)上提高了工藝性，提高了制造效率，提高了防爆結(jié)構(gòu)的可靠性，同時(shí)降低了裝配風(fēng)險(xiǎn)，降低了制造成本。