某大容量立式同步电动机电磁方案的设计与优化

张 巍，张 宙

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

本文以国外某泵站项目大容量立式同步电动机为研究对象，该电机为多极低速同步电机。电磁方案的设计中每极每相槽数q的选择至关重要，可能会产生谐波引起电机发生振动噪声方面的问题，所以对电磁方案进行谐波分析以及转矩脉动的计算是相当必要的。项目从大型同步电动机减小、削弱谐波以及谐波引起的转矩脉动角度出发，对分数槽和整数槽两种方案进行优化计算，通过对比，为产品设计选择最优方案提供依据。这些计算可以优化大容量立式同步电动机方案，选出更加合理的最终计算结果方案，为掌握MW级立式水泵用电机关键技术和后期相关产品的研制，巩固我公司在大容量立式同步电动机领域的领先优势，为后续承接更多国外水利市场电动机项目奠定基础。

1 同步电动机的有限元分析理论和前处理建模

在进行有限元分析的时候，对电机做如下假设：

(1) 采用二维场模拟实际磁场，选用国际单位制，直角坐标系。

(2) 不计交变磁场在导电材料中的涡流反应，电机的磁场可作为非线性恒定磁场来处理。

(3) 忽略端部效应，磁场沿轴向均匀分布，电流密度和磁矢位只有Z轴方向的分量，采用矢量磁位AZ求解。

(4) 铁心里的磁导率是各向同性的。

(5) 电机外部磁场所占分量甚小，可以忽略，定子外表面圆周为零矢量位面。

电机内部磁场分布，运用有限元方法进行分析，用矢量磁位A表述计算区域内的二维电磁场问题时，需满足如下边值问题：

式中：Ω为求解区域；S1为定子外径边界条件；JZ为电流密度；μ为磁导率；σ为电导率。

将上式转化为变分极值问题，离散后得到矢量磁位AZ的非线性方程组，求解后得AZ数值解，即可确定电机内磁场分布[1-2]。

根据以上假设条件，建立同步电动机的二维有限元瞬态电磁场分析计算模型，并确定求解域及边界。

电机模型较大，为了简化计算的工作量，采用单元电机建模。采用有限元法对所研制的目标电机进行建模和网格划分。以定子节距Y=12方案为例，建模后分别定义电机各部分材料属性及磁化曲线。定子冲片材料定义为高性能牌号无取向硅钢片50W315，转子磁极采用Q235磁极冲片叠压而成，转子磁轭材料定义为铸钢材料ZG230-450。建立的电机模型如图1所示。

图1 电机有限元分析模型

定义各部分材料属性之后，设定相应的边界和激励条件。对计算区域进行整体剖分，并对气隙附近进行网格加密，得到最后计算区域剖分单元网格，如图2所示。

图2 电机模型的网格划分

2 分数槽绕组方案的电磁场计算验证

设计了28极的电磁方案，每极每相槽数q=4+1/2的分数槽绕组，分数槽绕组能很好地削弱高次谐波和齿谐波的影响[3]。初步确定了定子节距Y=11和Y=12两个电机方案，通过有限元数值方法对同步电动机两个短距方案进行电磁场的分析计算，验证其削弱5、7次谐波的效果。建立电机空载和负载分析的模型，在两种工况下分析电机的谐波情况并计算负载工况下的转矩脉动情况，为最终确定电机电磁方案提供有力的支持和验证，综合考虑可以得到优选方案。

2.1 分数槽绕组同步电动机方案的空载电磁场分析

当定子节距Y=12时，设置同步电动机在214.3 r/min下空载运行，空载感应电势波形如图3所示。

同时可以得到空载感应电势频谱分析波形如图4所示。

图4 Y=12时空载感应电势频谱分析

可以计算得到空载电势的THD值为0.74%。

当定子节距Y=11时，设置同步电动机在214.3 r/min下空载运行，空载感应电势波形如图5所示。

图5 Y=11时空载感应电势波形

同时可以得到空载感应电势频谱分析波形如图6所示。

图6 Y=11时空载感应电势频谱分析

可以计算得到空载电势的THD值为0.44%。

2.2 分数槽绕组同步电动机方案的负载电磁场分析

当定子节距Y=12时，设置同步电动机为三相电压源下恒转矩负载-1 782.548 kN·m下运行，得到电磁转矩的波形如图7所示。

图7 Y=12时电磁转矩波形

此时电磁转矩的峰峰值占额定转矩的1.33%。同时可以得到负载转矩频谱分析波形如图8所示。

图8 Y=12时负载电磁转矩频谱分析

当定子节距Y=11时，设置同步电动机为三相电压源下恒转矩负载-1 782.548 kN·m下运行，得到电磁转矩的波形如图9所示。

图9 Y=11时电磁转矩波形

此时电磁转矩的峰峰值占额定转矩的0.9%。同时可以得到负载转矩频谱分析波形如图10所示。

图10 Y=11时负载电磁转矩频谱分析

2.3 不同方案的主要计算结果对比分析

对以上方案列出主要计算结果进行对比，如表1所示。

表1 不同定子节距时电机主要性能结果比较

可见电机主要评估性能指标皆满足设计要求，分数槽绕组很好地削弱了齿谐波的影响，两个方案的转矩脉动都比较小；同时，从定子节距Y=11时的空载电势频谱可以看出调整节距后的方案大大的弱了5、7次谐波的影响，对负载工况转矩脉动也有削弱作用。

3 整数槽绕组方案的电磁场计算验证及优化

设计了26极的电磁方案，为每极每相槽数q=4的整数槽绕组。整数槽绕组一般存在齿谐波对电机性能影响较大的情况，需要调整转子阻尼绕组节距来削弱齿谐波的影响，在原方案39.0 mm的基础上初步确定了转子阻尼节距41.5 mm和42.0 mm两个电机方案，通过有限元数值方法对同步电动机电磁场的分析计算，验证其削弱齿谐波的效果。

通过有限元计算，完成了阻尼节距为39.0 mm的初步方案空载和负载工况下反电势分析，转矩脉动等相关性能的计算。从分析结果可知转矩脉动较大，是齿谐波引起，无法通过短距分布消除影响。采用调整电机转子阻尼条距的方法，计算了阻尼节距为41.5 mm的改进方案性能，对原方案转矩脉动抑制效果明显。后又同时进行了阻尼节距为42.0 mm的方案，但由于t2/t1=0.907>0.9，考虑降低电机附加损耗，可知阻尼节距为41.5 mm(t2/t1=0.896)是最佳方案。三个方案的计算结果相比较，主要性能如表2所示。

表2 不同阻尼条距时电机主要性能结果比较

4 结论

分别优选分数槽和整数槽最优方案对比如表3所示。

表3 分数槽和整数槽优选方案主要性能结果比较

可见，电机选取转子28极分数槽绕组时，定子节距Y=11的方案减小了5、7次谐波的影响，空载电势THD更小，同时由于分数槽绕组能有效削弱齿谐波，转矩脉动也很小，在本例中分数槽每极每相槽数选择为q=4+1/2同时还规避了次谐波的影响；电机选取转子26极整数槽绕组时，可以避免次谐波的产生，并且通过调整转子阻尼条距为41.5 mm时也可以大大削弱齿谐波，但从综合情况来看，分数槽方案更优。

该项目完成了预定的目标，说明采用依托有限元数值分析的电磁场计算方法可以应用到其他同类电机的设计工作中，为最终确定电机电磁方案提供了有力的支持和验证，能大幅降低质量问题的风险，创造良好的经济效益。