矿用隔爆型外转子永磁直驱电动机电磁设计及水冷系统分析_王帅.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0560前言煤矿传统结构的带式输送机系统皆为普通三相异步电动机与减速机构联合驱动，达到运行速度匹配。减速机构的使用使带式输送机传动系统效率降低、系统体积增大，同时也存在减速机构维护工作量也增加大等诸多弊端。近年来，采用低速大转矩永磁电动机直驱的系统已经得到了越来越广泛的关注，矿用带式输送机采用矿用隔爆型低速大转矩永磁电动机直接驱动滚筒来替代传统带式输送机也大有应用。根据电动机的利用系数可知，电动机的额定转矩与电动机的有效体积成正比，因而低速大转矩永磁直驱电动机的直径变粗，体积增大,因而对于巷道狭窄的矿井存在安装不便、占用空间大等问题。本文设计一种将隔爆型电动机与滚筒融为一体的矿用隔爆型的外转子永磁直驱电动机（OR-PMDDM），实现了电动机即是滚筒，可直接驱动皮带负载，解决矿用隔爆型外转子永磁直驱电动机电磁设计及水冷系统分析王帅1，2（1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新123000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122）摘要：针对传统煤矿带式输送机采用异步电动机与减速机配合驱动滚筒而带来的效率低、体积大、安全性差和占地面积大等问题，设计了一种将电动机与滚筒融为一体的矿用隔爆型外转子永磁直驱电动机。以75 kW外转子永磁电动机为研究对象，对其电磁设计参数选取、极槽配合以及磁极结构进行了分析与设计，建立了该电动机二维有限元模型并进行电磁场仿真计算。采用场路相结合算法结合有限元法，分析计算了电动机的定子铜耗、定子铁耗、永磁体涡流损耗、杂散损耗和风摩耗。设计了一种新型水路冷却结构，用三维温度场仿真法计算得到了电动机各部位的温度分布状态。仿真分析结果和实际温升实验数据都验证了所设计的冷却水路结构和电磁设计的有效性。关键词：隔爆型；外转子；永磁直驱；电磁设计；有限元；温升中图分类号：TM302文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 271 05Electromagnetic Design and Analysis of Water-cooling System ofFlameproof Outer Rotor Permanent Magnet Direct Drive Motor forMining UseWANG Shuai1，2(1.College of Safety Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China；2.China CoalTechnology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Fushun 113122,China)Abstract:Aiming at the problems of low efficiency,big volume,poor safety and large occupation areacaused by traditional mine belt conveyor driving drum with induction motor and reducer,a flameproofouter rotor permanent magnet direct drive motor(OR-PMDDM)for mining use is designed,whichintegrates motor and drum.Taking the 75 kW outer rotor permanent magnet motor as the researchobject,the electromagnetic design parameter selection,pole and slot combination and magnetic polestructure are analyzed and designed.A two-dimensional finite element model of the motor isestablished and electromagnetic field simulation calculation is performed.The calculation method offield-circuit combination is used to calculate the copper loss,iron loss,permanent magnet eddy currentloss,stray loss and windage and friction loss of the motor.A novel water cooling structure is designed,and the temperature distribution of each position of the motor is obtained through three-dimensionaltemperature field simulation calculation.The simulation results and temperature rise experiment dataverified the effectiveness of the proposed water-cooling structure and electromagnetic design.Key words:flameproof；out rotor；direct drive permanent magnet motor；electromagnetic design；FEM；temperature rise271第42卷第03期矿用隔爆型外转子永磁直驱电动机电磁设计及水冷系统分析王帅Vol.42 No.03了采用异步电动机与减速机配合的传统矿用皮带机驱动系统存在的效率低、故障率高、占地面积大等一系列问题。OR-PMDDM由于其外转子内定子的机械结构，定子绕组产生热量不容易散出，而且此类电动机的损耗主要来源于定子绕组，煤矿下环境温度高，容易造成电动机温升超过温升标准要求，过高的温度会导致磁钢发生不可逆退磁，严重影响电动机的安全性。因此对OR-PMDDM冷却水路结构进行合理有效设计分析，对煤矿用皮带机系统的可靠运行、促进煤矿安全具有十分重要的现实意义。本文首先确定了OR-PMDDM的电磁设计参数，建立其二维有限元计算模型，并通过有限元仿真分析其电磁性能。基于场路相结合的计算方法，对额定负载状态下电动机的定子铜耗、定子铁耗以及磁钢的涡流损耗进行了研究。以传热学和计算流体力学相关理论为基础，应用ANSYS分析软件对所提出的隔爆型永磁电动机的冷却水路结构进行了三维温度场仿真分析。通过对拖加载温升实验以验证仿真结果的有效性。为矿用隔爆型外转子永磁直驱电动机在煤矿用皮带机方面的电磁设计与热分析提供了参考。1OR-PMDDM电磁设计1.1OR-PMDDM基本结构OR-PMDDM的结构如图1所示，外转子由包胶层、筒皮、磁钢、磁钢压板组成，内定子铁芯由冲片叠压在定子水套上再与电动机轴连接，电动机轴通过支撑座固定在机架上，电动机端盖即是刹车盘，磁钢粘贴在筒皮内表面，通过磁钢压板（非导磁材料）与螺栓紧固，冷却水通过轴部深孔进入水套内部，并由另一端流出。图1OR-PMDDM结构图1.包胶层2.筒皮3.出水道4.磁钢5.定子铁芯6.定子水套7.端盖8.电机轴9.进水道1.2OR-PMDDM技术要求电动机主要参数：额定功率/kW75额定电压/V1 140带速/ms-12.5滚筒名义直径/mm800带宽/mm1 000冷却方式水冷1.3极槽配合选取某些永磁低速直驱的应用场合，永磁同步电动机常采用多级少槽的分数槽集中绕组，分数槽集中绕组结构可以有效解决了低速大转矩永磁电动机极数和槽数较多的难点。分数槽集中绕组的每个线圈绕制在1个定子的齿上，绕组节距为1，槽距接近于1个极距，使电动机的定子绕组端部变短，可以节省材料，降低了定子铜耗。定子铁芯不采用斜槽的情况下，可以有效地降低齿槽转矩，改善磁动势波形，大大降低了电动机静态和低速时的转矩脉动。因此，永磁同步电动机采用分数槽绕组方案可以达到改善电动机性能，提高电动机效率、功率密度和节约成本的目的。1.4磁极结构设计永磁电动机的转子磁极结构主要分为表贴式和内置式2种。根据工程实际需要，转子磁钢采用表贴式磁极结构更便于电动机转子的加工与制造，且漏磁系数小、磁钢的利用率高，另外通过优化磁钢形状可实现不均匀气隙，有助于优化电动机径向气隙磁密波形的正弦性。本文样机磁极采用如图2所示结构，永磁体为不等厚永磁体，外侧为弧面与滚筒配合，内侧为平面方便加工，两端削角既方便与磁钢压板配合又能缓冲气隙磁导突变产生的影响，优化了气隙磁密波形。图2转子磁极结构1.不均匀气隙2.磁钢压板3.永磁体4.筒皮2样机设计及电磁场仿真2.1样机设计通过上文分析，设计了一台额定功率为75 kW的矿井带式输送机用外转子永磁直驱电动机。电动机主要参数：额定功率/kW75额定相电压/V630额定频率/Hz17额定电流/A45.5空载相反电动势/V575额定输出转矩/Nm13 9901234567891234272第42卷第03期Vol.42 No.03矿用隔爆型外转子永磁直驱电动机电磁设计及水冷系统分析王帅气隙长度/mm1.5永磁体厚度/mm10永磁体极弧系数0.832 4效率/%92.0功率因数0.96热负荷/A2（cmmm2）-11 3152.2电磁场有限元仿真分析针对上述参数设计要求的样机，利用有限元仿真软件Maxwell建模并进行了电磁场仿真分析计算，得到的仿真结果如图3所示。（a）磁感应强度分布（b）磁力线分布图3电动机空载运行状态磁场分布图由图3的OR-PMDDM有限元仿真结果可以看出，所设计样机的磁场分布合理，主磁路未发生饱和现象，漏磁较小，空载气隙径向磁密低次谐波含量较少，空载相反电势数值与路算结果吻合且波形正弦性较好。3电动机热源计算及仿真3.1铁耗计算永磁电动机中的铁芯损耗由2部分组成，即磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗是由永磁体磁钢材料固有的退磁B-H特性引起的，与电源频率和磁通密度n次方的乘积成正比，n通常称为斯坦梅茨常数。涡流损耗由感应电动势在铁芯中产生电流而产生的损耗，其大小取决于铁芯电阻值，涡流损耗与感应电动势的平方成正比。考虑定子谐波磁场影响的铁芯铁耗Pfe=k=1（khkfBkkekf2Bk2+kkf1.5Bk1.5）（1）式中磁滞损耗的计算参数，一般取2（取值范围1.62.2）；k谐波次数；Bk第k次谐波的幅值；kh磁滞损耗系数；ke涡流损耗系数；kf气隙磁密的波形系数；k附加损耗系数；f定子电压基波频率。3.2铜耗计算对于隔爆型永磁电动机，定子铜耗一般由3部分组成：定子线圈的基本铜耗，由定子线圈并联线匝引起的环流铜耗和绕组的集肤效应。定子线圈铜耗Pcu=1（kr+ks）nbbsfn50I2Rs（2）式中kr并联股线间换流系数；ks涡流损耗系数；fn定子输入电压频率；Rs定子线圈电阻值；b端环厚度；bs槽口宽度；I定子相电流。3.3磁钢涡流损耗计算电动机转子永磁体磁钢涡流损耗计算可以通过涡流密度计算，磁钢涡流损耗Ppm=v|Jv|22dV（3）式中Jv第v次谐波涡流幅值；漏磁系统；V磁钢的体积。3.4杂散损耗和机械损耗计算隔爆型永磁电动机的杂散损耗主要包括定子铁芯的表面漏磁损耗、齿谐波引起的损耗和脉振损耗。永磁电动机内部电磁场分布较为复杂，电磁参数耦合度高，杂散损耗难以精确计算，粗略计算电动机的杂散损耗Ps=（IIIN）2psN*PN（4）其中，定子实际运行电流II=Id2+Iq2（5）式中IN标称的额定电流；psN