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矿用直驱永磁电机关键技术问题探究

时间:2021-01-13作者:孙重阳
本文导读:这是一篇关于矿用直驱永磁电机关键技术问题探究的文章,在设计和分析的基础上,研制一台样机,并搭建实验平台对样机进行空载实验、反拖实验、负载与温升实验。实验结果也进一步验证了研究内容的正确性,对今后矿用防爆直驱永磁电机的设计工作具有一定的参考价值。

  摘  要

  
  较异步电机加减速器的传统驱动系统,永磁直驱系统具有传动链短、传动效率高、运行稳定性高等优势,更加符合煤矿行业安全、高效的发展要求。而直驱永磁电机的体积较大,同时由于煤矿井下特殊的工况条件,还要求电机具有一定的防爆性能,设计工作相对复杂。因此,本文从电机极槽配合选择、齿槽转矩优化、温升以及隔爆性能分析等方面对矿用直驱永磁电机的一些关键性技术问题进行研究。



矿用直驱永磁电机关键技术问题探究
 

  
  在电磁设计方面,首先对电机的极槽配合进行研究,对比分析了不同极槽配合下电机负载反电势波形畸变率、转矩波动的大小。确定极槽配合后,采用Taguchi优化算法以隔磁桥宽度、隔磁桥厚度、定子槽口宽度和不均匀气隙度为优化参数对电机齿槽转矩、空载反电势波形畸变率、平均转矩进行优化,并通过有限元仿真进行验证。最后对应用成型绕组提高电机净槽满率以缩小电机体积,提高转矩密度进行定量计算,并分析其优缺点。
  
  在温度场与冷却结构方面,首先根据牛顿散热定律以及雷诺数与流体状态的关系对电机的冷却结构进行设计,然后分析电机热源,推导冷却水散热系数与流速的变化关系,采用磁热耦合的分析方法求解电机温度分布,由仿真结果可知,机壳轴向水冷结构设计合理,电机在额定稳态运行及短时过载运行状态下各部分温度分布正常,符合国标规定,电机可以长期稳定高效运行。
  
  在电机隔爆性能分析方面,首先根据实际设计计算电机外壳各隔爆接合面间隙,然后建立电机外壳的三维模型,通过静力学有限元仿真模拟电机爆炸过程,对于各隔爆结构及隔爆接合面的受力变形进行分析,对仿真结果不符合要求的机械结构进行修改,经修改后的静力学仿真结果表明,电机隔爆外壳受力后表面均发生弹性形变,不会对电机的隔爆性能造成影响,各隔爆接合面的弹性形变量的最大值叠加工件的加工公差后仍可满足隔爆要求。
  
  在设计和分析的基础上,研制一台样机,并搭建实验平台对样机进行空载实验、反拖实验、负载与温升实验。实验结果也进一步验证了研究内容的正确性,对今后矿用防爆直驱永磁电机的设计工作具有一定的参考价值。
  
  关键词:   矿用防爆,永磁直驱,温度场,隔爆外壳,有限元分析。
  

  Abstract

  
  Compared  with  the  traditional  drive  system  of  asynchronous  motor  acceleration  anddecelerator, the permanent magnet direct drive system has the advantages of short transmissionchain, high transmission efficiency and high operation stability, so it is more accordant withthe safe and efficient development requirements of the coal mine industry. The direct drivepermanent magnet motor is relatively larger. At the same time, due to the special workingconditions in the coal mine, explosion-proof performance is required, so the design work isrelatively complicated. Therefore, some key technical problems of some mine direct drivepermanent  magnet  motors,  such  as  slot/pole  combinations,  cogging  torque  optimization,temperature, and explosion-proof performance, have been studied and analyzed in this thesis.
  
  In terms of electromagnetic design, first of all, the slot/pole combinations of the motorare studied. The distortion rate of the back-EMF waveform of the motor and torque fluctuationunder  different  slot/pole  combinations  are  compared  and  analyzed. After  determining  theslot/pole combination, the Taguchi optimization algorithm is used to optimize the coggingtorque, no-load back-EMF waveform distortion rate, average value of the magnetic isolationbridge width, magnetic isolation bridge thickness, stator slot width and uneven air gap. Theresult  is  optimized  and  verified  by  finite  element  simulation.  Finally,  the  application  offorming windings to improve the full slot rate, which can reduce the size of the motor andincrease the torque density has been quantitatively calculated, andthen its disadvantages wereanalyzed.
  
  In terms of temperature field and cooling structure, the cooling structure of the motor isfirst  designed  according  to  Newton's  heat  dissipation  law  and  the  relationship  betweenReynolds number and fluid state. Then, the heat source of the motor is analyzed, and therelationship between the cooling coefficient of cooling water and the flow rate is deduced. Theanalysis method solves the temperature distribution of the motor. From the simulation result,it is shown that the axial water-cooling structure of the casing is reasonably designed, and thetemperature distribution of each part is normal under the rated steady-state operation and short-term overload operation. The motor can run stably and efficiently for a long time.
  
  In terms of motor flameproof performance analysis, first of all, the gaps of the flameproofjoint surfaces of the motor casing are calculated according to the actual design, the three-dimensional model of the shell is created, and the explosion process of the motor is simulatedby the static finite element simulation. The mechanical deformation of the surface is analyzed,and the mechanical structure which does not meet the requirements is modified. The modifiedstatic simulation results show that the surface of the flameproof enclosure of the motor iselastically deformed after being subjected to force, and the flameproof performance of themotor will not be affected. The maximum value of the elastic deformation of each flameproofjoint surface can still meet the flameproof requirements after superimposing the processingtolerance of the workpiece.
  
  Based on the design and analysis, a prototype is developed, and a experiment platform isset up to carry out no-load experiment, reverse drag experiment, load and temperature riseexperiment on the prototype. The experimental results also further verify the correctness ofthe research content, and have certain reference value for the future design work of miningexplosion-proof direct drive permanent magnet motors.
  
  Key Words:     Mine  explosion-proof,  Permanent  magnet  direct  drive, Temperature  Field,Flameproof enclosure, Finite element analysis。
  

  第 1 章 绪论
 

  
  1.1 、课题的研究背景及意义 。
  

  电机作为煤矿井下大型设备如采煤机、刮板机、皮带机、绞车的动力输出部件,关乎到整个采煤工作能否顺利进行,其目前多为三相异步电机。随着近年来电力电子技术及装备制造业的快速发展,煤矿企业也在追求着采煤工作的高效化、智能化,越来越多的煤矿设备选择效率更高的永磁电机替换异步电机。永磁电机较异步电机而言,由于其气隙磁场由磁钢本身提供,所以可以将电机做成多极低速大转矩直驱传动,实现电机的输出动力与驱动负载的直连,从而极大地提高系统传动效率和运行稳定性。由于煤矿井下的工况条件比较特殊,电机表面可能会附着大量的煤粉及其他可燃物,要求电机必须具有一定的防爆性能。所以,鉴于这种现状,设计和研究矿用防爆直驱永磁同步电动机很有必要[1-2]。
  
  低速大转矩直驱永磁电机的转矩密度较大,在电机运行时发热量较大,同时对于矿用防爆电机来说,由于机壳隔爆面的存在,使得电机的密封性更强,散热效果较普通电机更差。温升更高,影响电机的使用寿命和驱动系统运行稳定性。同时,如果电机的表面温度超过了所附着可燃物的燃点,可能将会造成十分严重的后果,在国标中也严格规定了矿用防爆电机表面允许的最高温度。所以在电机设计工作中,也必须要对电机的运行温度和冷却系统进行严谨的分析与计算[3-4]。以保证电机在矿井下运行时的安全性与高效性。这也对矿用防爆直驱永磁电机的快速发展有一定的意义。
  
  按照防爆类型,防爆电机可以分为隔爆型(d)、增安型(e)、充砂型(q)、正压型(p)等,根据GB3836规定,防爆电气设备按照工作场所分为Ⅰ类(煤矿用)、Ⅱ类(工厂用)。矿用直驱永磁电机的防爆类型通常为隔爆型,防爆标志为:ExdⅠ。隔爆型电机,就是要求在进入电机内部的可燃性气体发生爆炸时,电机外壳可以承受住气体的爆炸压力,不会产生永久性的损坏或变形,且电机内部的火焰在外壳的接合面冷却、吸热的作用下降温熄灭,从而无法点燃外部的可燃物。所以,隔爆型电机的外壳应同时具备隔爆性和耐爆性。
  
  根据GB3836.2的要求,隔爆型电气设备的外壳在加工后必须要进行耐压试验,以验证隔爆外壳的隔爆性能是否满足要求。耐压试验分为动压试验和静压试验。动压试验需要将隔爆外壳送至专业的检测机构进行爆炸试验,通常是对某一系列电气设备申请防爆证时所采用。目前,各防爆电机生产厂家多采用静压法对隔爆机壳进行实验,即将构成隔爆机壳的各机械结构,如机壳圆筒、轴承内盖、端盖、转轴等分别或按照实际情况进行装配,然后向空腔内注水加压以模拟实际的爆炸压力,最后检测各部件的隔爆面及表面是否发生变形或损坏,影响隔爆性能。但是,一旦水压试验后检验结果不合格,那么隔爆机壳可能需要重新设计、加工。一方面降低了电机的生产效率,另一方面也浪费材料,增加了电机的生产成本。所以,如果我们可以在电机设计时,按照设计的尺寸画出隔爆机壳的三维模型,然后通过有限元分析软件进行三维力学分析,对隔爆机壳施加爆炸压力,仿真模拟出隔爆机壳隔爆面及表面的变形量,对仿真结果不符合要求的机械机构进行修改。最终将仿真结果满足国家标准对隔爆电机要求的机械结构进行加工、试验、总装。这样就可以大为节约隔爆电机的成产成本,提高生产效率[5]。
  
  1.2、 课题的研究动态 。
  
  1.2.1、 防爆电机的研究动态 。
  

  文献[6]在传统变频电机设计方法的基础上,总结推导出了针对于矿用变频电机的设计方法,并设计了一台15k W隔爆型变频牵引电机;上海交通大学的张文设计了一台15MW用于油气、行业的正压型防爆电机,并对电机的冷却、吹扫系统、定子绕组结构以及取证试验等方面进行了介绍与分析[7];文献[8]针对低速大容量正压型防爆感应电机特点,设计了一种特殊结构的电机冷却器,采用全局耦合的分析方法对电机的流体场与温度场进行仿真分析,并根据仿真结果对冷却器进行了优化设计;沈阳工业大学的陈德志和何惠明对隔爆变频一体式电机的设计方法、调速系统、控制技术进行了深入的研究[9-10];文献[11]设计了一种新型的隔爆电机推盖式隔爆结构,该结构在推盖上设计了导向平键以更好地实现轴向移动;文献[12]
  
  针对低压防爆电机设计了一种新型的高压绝绕组结构,与传统绕组结构相比降低了电机运行温升,提高了电机效率。
  
  通过上述的了解可知,目前针对防爆电机的研究重点还是在对异步电机以及隔爆结构等方面的研究,对于防爆永磁电机的研究还比较少。在目前能源短缺、环境污染日益严重,国家提倡节能减排,同时煤矿企业也追求采煤工作的安全性、高效性的情况下,并随着近几年来永磁电机的高速发展,研发高效、高可靠性防爆永磁同步电动机将是未来几年防爆电机领域发展的重点。
  

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  1.2.2、直驱永磁电机的发展现状.
  1.2.3、电机的温度场和冷却系统的研究现.
  1.3、本文研究的主要内容
  
  第2章  矿用防爆永磁直驱电机设计分析.
  
  2.1、矿用直驱永磁电机极槽配合对纹波转矩的影响.
  2.1.1、纹波转矩的生成
  2.1.2、不同极槽配合的选取.
  2.1.3、不同极槽配合下的电机纹波转矩分析.
  2.2、基于Taguchi方法矿用直驱永磁电机优化设计. .
  2.2.1、Taguchi优化方法介绍及电机优化目标确定.
  2.2.2、电机优化参数选取及其水平值确定.
  2.2.3、电机优化目标平均值计算.
  2.2.4、电机优化参数比重计算及结果分析.
  2.2.5、优化后电机模型有限元仿真分析.
  2.3、永磁直驱电机应用成型绕组特性分析.
  2.3.1、同功率成型绕组替换散线绕组电机参数计算.
  2.3.2、电机热负荷校核.
  2.3.3、采用成型绕组弊端问题讨.
  2.4、本章小结
  
  第3章  矿用直驱永磁电机温度场及冷却结构分析.
  
  3.1、电机冷却结构的计算与确定
  3.1.1、 冷却结构的对比分析.
  3.1.2、轴向水道尺寸的计算
  3.2、电机温度场仿真模型的建立
  3.2.1 、电机温度场数学模型与边界条件.
  3.2.2、电机损耗计算.
  3.2.3、导热系数与散热系数的确定.
  3.2.4、有限元仿真模型的建立
  3.3、温度场仿真结果分析.
  3.3.1、 电机额定运行,
  3.3.2 、电机过载运行
  3.4、本章小结.
  
  第4章  电机隔爆性能分析
  
  4.1、电机机壳厚度计算
  4.2、隔爆接合面参数计算
  4.2.1、隔爆接合面分类.
  4.2.2、隔爆间隙的计算.
  4.3、隔爆外壳静力学有限元仿真
  4.3.1、仿真模型的建立.
  4.3.2、静力学有限元仿真结果分析.
  4.4、隔爆外壳爆炸试验
  4.5、本章小结.
  
  第5章  样机实验
  
  5.1、样机生产及实验平台的搭建
  5.2、空载实验
  5.3、负载及温升实验
  5.4、反拖实验
  5.5、本章小结
 

  第 6 章  结  论

  本文以皮带输送机负载为例,对矿用防爆直驱永磁电机的电磁设计、温升与冷却结构、电机外壳的隔爆性能的一些关键性技术问题进行讨论分析。针对本文的分析内容,可以得到如下结论:

  (1)就本文研究的矿用直驱永磁电机,电机的运行稳定性是电机设计时的需要考虑关键问题,而负载反电势谐波含量会对电机转矩波动造成较大影响,采用q=0.4时,可以使电机负载反电势波形畸变率最小,谐波含量最低,从而降低电机的纹波转矩和转矩波动,提高电机运行稳定性。(2)Taguchi算法可以通过较少的分析次数完成电机多目标优化,从而可以提高电机优化效率。本文以电机齿槽转矩、空载反电势波形畸变率最小、平均转矩最大为优化目标,以切向转子磁极相关参数、定子槽口宽度为优化参数对电机方案进行优化设计,电机优化效果较好,也证明了Taguchi算法的有效性;(3)对于外形体积较大的电机来说,冷却水道应尽量选用轴向Z字型结构以降低加工难度,通过对电机额定稳态运行及短时过载运行仿真分析可知,电机定子绕组及磁钢温度分布满足各自要求,同时也符合国标中隔爆型电气设备最高表面温度不应超过150℃的规定;(4)对于电机外壳隔爆性能的分析,可以借助静力学有限元仿真,建立电机隔爆外壳的三维模型,在壳体内部向外施加压力以模拟电机的实际爆炸过程,从而对电机各隔爆结构及隔爆接合面的受力变形进行分析,对仿真结果不符合要求的机械机构进行修改,可节约电机的生产成本,提高设计效率。(5)根据设计分析,研制样机并实验,电机运行性能较好,实验结果与设计参数及仿真数据误差较小,说明本文研究内容对矿用防爆永磁直驱电机具有一定的工程应用价值。

  参考文献.

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