大功率盘式交流永磁同步电机电磁场分析

针对应用于石油钻井平台的510kW盘式交流永磁同步电机进行了建模,并分别从空载、负载、电感角度进行了三维电磁场仿真。建模中考虑了模型的对称性和周期性,将整体模型简化成1/4模型,从而显著减少了仿真的计算量。在电机空载状态下,得到了空载磁通密度分布,分析了永磁体极弧系数、槽口宽度和极槽配合对齿槽转矩的影响,通过优化,在永磁体极弧系数取0.85、槽口宽度取5mm、极槽配合取18槽16极时,得到了最小的齿槽转矩30.64N·m,这将有利于降低转矩波动,从而减小电机的振动和噪声,提高系统的控制精度和品质。在电机负载状态下,分析了不同电流激励源和内功率因数角下的电磁转矩波形:在恒转矩区,当相电流为550A、内功率因数角为22°、额定转速为1 600r/min时的电磁转矩为3.115kN·m;在恒功率调速区,当相电流为550A、内功率因数角为41°、转速为2 000r/min时,电磁转矩为2.577kN·m;在过载工作区,当相电流为1 140A、内功率因数角为47°、额定转速为1 600r/min时,电磁转矩为4.756kN·m,电机达到1.5倍过载。与同体积的其他电机相比,该电机的电磁转矩密度有显著提高,内功率因数角调整裕度也较大,能满足过载能力要求。此外,结合电机空载和负载求得的参数,绘制了盘式电机矢量图,求得同步电感值为0.31mH。

大功率盘式交流永磁同步电机温度场流场耦合分析

根据510 k W盘式电机的电磁设计参数及热物性参数建立了三维温度场流场流固耦合模型,分析了额定工况下电机发热部件的温度分布,接着对样机进行了温升试验。针对温升试验电机温度偏高进行了改进性研究探索,从主动降低损耗和被动降低损耗两方面,研究了影响盘式电机温升的因素。主动降耗方面,建立了等效的二维直线电机模型,从铁耗理论模型和电磁仿真模型角度分析了不同牌号硅钢片在空载和负载工况下,铁耗瞬态变化趋势。对于供电频率较高的电机,尤其在弱磁区,铁耗往往成为影响电机温升的主要因素,对于卷绕定子铁心,建议采用沿着卷绕方向易于磁化、高磁感应强度、低损耗的晶体取向超薄硅钢片来降低高频铁耗。被动降耗方面,基于建立的三维耦合模型,分析了水道不同入口流速对电机定、转子最高温度影响、额定负载和过载工况下的定子绕组最高温度随入口冷却液流速变化趋势,最后将端盖端面水道流体单独建模,通过以上温升影响因素的分析,为之后盘式电机热管理的改进设计提供理论依据。

盘式永磁同步交流调速电机的设计研究

盘式永磁同步交流调速电机以其特殊的结构,优越的性能特点被逐步应用于石油行业。文中提出了一种双定子单转子盘式永磁同步交流调速电机,其主要应用在顶驱设备上。研究了电机空载与负载状态下的电机性能,设计两种螺旋水道进行温度场对比分析,并对主要结构进行了有限元分析。该电动机采用了优化的电磁方案,紧凑的结构设计以及独特的螺旋水道冷却方式。经样机试验,该电机具有良好的调速和温升性能。为指导下一步研发更高功率的同类型电机打下了坚实的基础。

盘式永磁同步电动机的仿真研究

为简化盘式永磁同步电机的仿真模型,优化电磁方案,在磁路分环算法基础上,通过磁路分析等效计算,使得2D直线电机与3D盘式电机等效仿真得以实现。针对550kW的盘式永磁同步电动机,提出了两种设计方案,并对两种方案进行了2D直线电机模型的等效分析。仿真结果表明2D直线电机的模型仿真可以在一定程度上代替3D盘式电机的模型进行仿真分析,特别是相反电动势以及气隙磁密的等效误差均在5%的范围内。在仿真时间上,2D直线电机模型仅为3D盘式电机模型仿真时间的1/12。

铜转子三相异步电动机温度场流场耦合分析

研发了一台应用在石油顶驱钻井设备的强迫风冷铜转子三相异步电机,首创了无机座设计、定子铁心轭部开通风孔、定子绕组端部环氧树脂密封、采用焊接铜条鼠笼转子等关键技术,满足了电机在频繁起停、过载、盐雾等工况下,对电机温升的苛刻要求。建立了温度场流场流固耦合模型,分析了电机额定负载工况下的各零件稳态温度分布以及瞬态温度随时间变化趋势。仿真计算和温升试验结果表明,沿电机的轴线方向,中后段位置温度较高,没有局部过热点。试验验证了建立的温度场流场耦合模型和仿真结果的合理性,温升满足电机H级要求。在耦合模型的基础上,分析了风道入口压力和定子铁心通风孔径变化对电机温升的影响,为改进电机冷却结构提供理论基础。

隔爆型变频一体化永磁同步电动机研制

国内刮板输送机转动惯量大,启动转矩大,导致其驱动电动机的启动比较困难,普通的异步电动机难以胜任。针对该问题,研制了1 200kW隔爆型变频一体化永磁同步电动机。该电动机采用优化的电磁方案,将电磁负荷控制在合理范围内,可满足弱磁调速要求;结构设计充分考虑变频供电特点、隔爆性能要求及体积和质量限制,符合相关防爆要求,且结构紧凑;冷却方案设计充分考虑散热能力和余量,确保电动机有合理的温升限值。有限元分析结果表明,该电动机主轴挠度和强度、铁芯隔磁桥强度均在合理范围内。样机试验结果表明,该电动机具有良好的恒转矩特性和调速性能。