盘式永磁同步交流调速电机的设计研究

摘要:盘式水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部方式。经样机试验，该电机具有良好的调速和温升性能。为指导下一一步研发更高功率的同类型电机打下了坚实的基础。

顶驱是一种新型的石油钻井设备,它的应用给石油行业带来了革命性的变化，钻井效率和钻井能力得到极大的提高。顶驱工作环境恶劣，承受载荷较为复杂，在钻进过程中承受轴向载荷、振动冲击等。传统顶驱驱动电机起动力矩是顶驱实际负载的数倍，而顶驱实际负载功率却远小于电机的额定功率，即出现所谓的“大马拉小车”现象，从而造成严重的电能原浪费,

盘式电机则能很好的解决起动问题。特别是盘式永磁电机，起动转矩大、效率高，低速稳定性好，特别适合于顶驱设备。

本文根据顶驱设备实际工况要求，设计了515kW盘式水磁同步交流调速电机［1-2］,用于替代进口盘式永磁电机，适用于油田顶驱等设备。该电机轴向尺寸短、重量轻、体积小、结构紧凑、功率因数高、低速大转矩、调速范围宽、独特的冷却系统，解决了工作环境中因盐雾对电机绕组绝緣破坏的问题，满足了实际恶劣的工作环境。对我国石油行业有着极其重要的现实意义和应用价值，会给石油行业带来巨大的经济效益。

永磁同步电动机具有体积小、效率高、功率因数好等多项优点，而盘式电机的硅钢片利用率高，轴向长度短，没有叠压工序，工艺性好。本文所设计的盘式永磁同步交流调速电机结合了永磁电机和盘式电机的优点。

图1为本文所设计的盘式永磁同步交流洞速电   机结构示意图，由两个定子、一个转子、主轴、轴 承，外盖和端盖等主要部件组成。定子固定在轴承端盖上，转子固定在主轴上。采用双定子单转子结购形式，定、转子相互平行对等排列，两边双定子绕组夹中间转子形成双气隙，气隙星平面型，气隙磁场为轴向的［3-4］，此结构不仅可以克服单边磁拉力，增加气隙磁密，而且可以改善极面下磁密分布的均匀性，减少漏磁。  

为了降低涡流损耗，定子铁心采用带状硅钢片50WW270定子铁心根据定子是否开槽分为有齿槽与无齿槽两种”，在本设计中选用有齿槽，有齿槽在加工时采用专用的重卷床，用单冲模冲槽，边卷边冲一次完成。开槽铁心可以减小气隙面增大气隙意密，减小所需永磁体用量，提高材料的利用率，节约电机制造成本。定子铁心成型后，进行绕组嵌线，浸漆烘干后整体分别与驱动端端盖和非驱动端瑞盖进行装配，组成驱动端定f和非驱动端定子。1.2转子结构设计

转子主要包括转子铁心、转子压板、转子盘体、永磁体等主要部件。转子盘体与转子压板为不锈钢，装子铁心材料为10号钢，永磁体为N38EH。永磁体具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异性能。它的充磁方向与磁钢表面垂直，从面在气隙中产生多极的轴向磁场，转子的永磁体沿圆周均匀分布，星N-S交替呈辐射状排列。转子盘体采用内嵌式结构，在转子盘体上开有与电机极数相对应的若干个槽，永磁体镶嵌在槽内，从而使转子的轴向长度大幅度缩短，在满足转子盘体刚、强度的条件下，可提高盘式电机的功率密度。装配时，永磁体采用扇形结构及表贴式安装方式)，漏磁系数比较小，气隙磁通相对较大，水磁体利用率高。永磁体底面和侧面均涂磁钢胶，并用转子压板及螺钉固定［7-8］

顶驱全天候工作，电机的发热会很严重，必须有风机进行强制风冷。如果风机直接安装在电机的轴伸端，必然会增加顶驱的高度，甚至导致顶驱不能安装到井架空间内，本文所设计的电机冷却系统采用水冷方式，驱动端端盖和非驱动端端盖均采用螺旋线水道设计。

为了设计合理的冷却系统，对其进行速度、压力等各项参数的综合考虑，利用FLUENT软件分析电机流场"，根据冷却系统模型及实验结果分析计算，分别对515 kw盘式永磁同步交流调速电机端盖水路进行对比:单螺旋和双螺旋;对比不同尺寸水道换热效果以及压差。根据热量值，经过充分计算，得出单、双螺旋水道最优进口水速以及进出口压力差值，如表1所示。单、双螺旋水道压力分布如图2、图3所示。

单螺旋水道与双螺旋水道冷却效果差不多，单螺游水道阻力小些，双螺旋水道方便布置进出口，故选择双螺旋水道。

电机采用永磁同步电动机方案，满足电机交流调速的要求，同时永磁同步电动机配合矢量控制可基本实现每个换相点都处在电机相电流和相反电势的自然过零点，从而避免电流换相时产生较大的转矩波动。
515kW盘式永磁同步交流调速电机的部分设计参数如表2所示。
表2电机主要设计参数

(1) 计算空载磁密分布如图4所示。

(2)加载相电流有效值15125 A的外电路，电流超前空载反电势44。稳定后的电磁转矩波形如图5所示。

求取电磁转矩平均值为4.7kN.m,满足1.5倍过载要求。

3盘式永磁同步交流调速电机有限元分析

运用Ansys Workbench有限元分析软件对电机主轴进行应力分析。主轴的材料属性设为35CrMo,考虑到主轴的实际情况，在竖直状态下，主要是扭矩对主轴的影响，忽略其他次要因素影响，分析最大扭转切应力是否符合主轴设计标准，其中最大电磁转矩为

通过Whech的静力计算得到主轴的最大扭转川应方云图如图6所示，主轴的批转切应

而主轴的许用扭转切应力力最大值为40.5 MPa,

[7]为40 -52 MPa。通过圆轴扭转强度公式m T/W,其中W为抗扭截面系数，也可以得出了. c[]，在主轴的允许范围内，所以主轴的设计满足强度要求。

在电机正常运行时，转子盘体受到两个大小相等方向相反的轴向磁拉力，合外力为零，但由于加工及装配误差存在，两侧气隙磁密不相等，轴向磁拉力不为零。考虑此时主要受电磁转矩切向力、轴向磁拉力、离心力影响，可能对转子盘体有较大影响，故对此种情况进行应力和位移模拟分析[12]。经计算离心力:

F=mor=m(2πn)2r= [ (Gx 1000)/(n/10) ] x Mrx2   ”. (2mn)+x10-°=2.7N式中，G为平衡精度级，一般为6. 3:   n为转速1600 /min; "”为转子盘体质量Skg;，为转子摄休离心运动半径300”m经计算，离心力很小可以忽略。此时在盘体内环面施加固定约束，在放置永磁体位置处，施加最大单边轴向磁拉力:

F.= βmDLa. B.δ° 3*e=645 N式中，β为经验系数; L为电枢长度; 8为单边平均气隙; Bs通常为0.5; M0为真空磁导率; eo 为初始偏心;在盘体外圆周施加最大电磁转矩T=6146Nm。转子盘体的材料设为1Cr18Ni9Ti不锈钢。

通过转子盘体应力云图7可以看出，转子盘体承受的最大应力为57.5 MPa,而1Cr18Ni9Ti不锈钢的屈服强度为195 MPa。得出转子盘体的最大应力小于许用屈服强度，所以转子盘体设计满足强度要求。

通过转子盘体变形位移云图8可以看出，转子盘体承受的最大变形为0.16 mm,得出转了盘体的最大变形量小于气隙(3 mm)的6%，满足转子盘体刚度技术要求

该电机结构设计紧凑，大大缩小了体积和重量，符合工作环境尺寸安装的要求。采用独特的双螺旋水道冷却结构，为不同冷却方式的研究提供-种新的方向。利用Ansys Workbench有限元分析软件，通过对轴及转子盘体等主要部件的载荷施加，能够较为准确的反应出轴及转子盘体的应力及变形分布规律，从而对整个电机系统准确设计进行指导。

采用3D电磁场对515 kW盘式永磁同步交流调速电机进行了建模仿真，通过电磁设计表明，在转速1600 r/min以下，该电机拥有良好的恒转矩特性，满足工况的需要。而且该电机采用性能较高的200级绝缘材料和绝缘体系，提高了电机的可靠性。

通过515kW盘式永磁同步交流调速电机的研究表明:已掌握顶驱用515 kW盘式永磁同步交流调速电机的关键技术，为下一-步设计制造更高功率的同类型电机打下了坚实的基础，具有很好的市场前景。