大功率高速永磁同步电机的设计与分析

大功率高速永磁同步电机的设计与分析
摘要：针对西气东输过程中的10MW级变频驱动压缩机组(PDS)中，对高速直驱
电动机的技术、结构和组成的要求，提出了大功率高速永磁同步电机的研制方案。

本文尝试以10MW等级调速范围3120~4800rpm和额定频率160Hz的技术要求，
来设计适合西气东输PDS中的大功率高速永磁同步电机。

本文主要以Ansoft软件
来设计电机，通过选择合适的技术参数来完成相应的设计。

关键词：PDS组，大功率，高速，永磁同步电机，Ansoft，设计与分析
1 引言
根据10 MW级变频电驱压缩机组中压大功率变频调速驱动系统(简称PDS)国
产化研制及应用的项目背景，提出了10MW级变频电驱系统的技术要求，通过比
较分析市场各种变频器的结构特点和国产变频电驱系统技术力量，电机通常为正
压通风防爆无刷励磁同步电机，一般有低速(1000~1500 r/min)加齿轮箱和
4500~5200 r/min与压缩机高速直联驱动2种方式。

由于国内厂家没有成熟的产品和应用业绩，主要由SIEMENS，ABB，TEMEI。

由于变频永磁同步电机能够通过降低输入电压频率实现自起动，而内置的永
磁体能够提供磁通以及产生相应的同步转矩，这样可以保证电机稳定运行时为同
步电机运行状态。

同时对于电机来说无需励磁电流，大大减少了定子上电流以及
相应的损耗，并且在转子上几乎无电流以及铜耗。

因此与传统的感应电机和励磁
电机相比，具有效率高、功率因数高的优点。

2 大功率高速永磁同步电机的设计
2.1 主要设计特点
永磁同步电机的定子一般与相应的异步电机的定子冲片相同，最主要的是对
转子的设计。

本文设计的大功率高速永磁同步电机的使用场合较为特殊，对于这
样的大电机要求运行可靠、大功率、高转速、高效率、防爆要求较高。

所以不仅
要设计合理的电磁磁路，又要在相应的技术参数基础上(机、电、热、材料、工艺、环境)对电机的性能进行改善。

所以在设计过程中要综合以下方面综合考虑：
(1)高压变频
高压变频起动永磁同步电机无需起动绕组，这样需要大功率的变频器来与之
相匹配，同样还要加强电气强度，提高安全系数。

(2)大容量
电机为4级，定子额定电流约为660A，额定电压约为10kV,额定功率约为
10MW，定子绕组采用Y型连接方式，相数为3相，额定频率为160Hz，额定转
矩为20 。

(3)高转速
电机额定转速约为4800rpm，功率大、效率高、转速高，调速宽而且能持续
运行。

结合实际大功率高速永磁电机技术水平，合理选择驱动压缩机方式。

(4)防爆
天然气是极易发生燃烧爆炸的气体，所以对电机要进行防爆措施，选择合适
的材料以及防爆等级。

(5)冷却
中小功率电机一般是利用空气进行通风冷却，但随着单机容量的增加，大功
率高速电机的散热面积和风路安排受到诸多限制，使通风冷却较为困难。

所以，
为了保证电机温升不超过允许值需要用不同的冷却方式和通风系统。

一般采用水
风混合冷却，即内循环冷却采用水冷，外循环冷却采用风冷。

2.2 定转子设计
图1 定转子结构
主要计算公式：
为常数，对于大功率高速永磁同步电机来说，通常把转子做的比较细长，这
样有利于电机性能，一般是小型的2倍之多，这样可以保证转子具有足够的刚度
和较高的临界转速。

所以本文中的初步取3，这样就可以大致确定电机的主要尺寸。

这个值只是初步的计算结果，后面还要进行相应的优化。

2.4 气隙长度的确定
调速永磁同步电机气隙的长度一般大于同规格感应电动机气隙的长度，且不
同用途的电动机其气隙长度的取值也不相同。

由于本文设计的内置式永磁同步电
机功率较大，所以气隙长度不得不做的较大，这样在一定程度上可以减少电枢绕
组中产生的感应电动势中的谐波分量。

所以本文中的气隙的长度初步取为6mm。

2.5 永磁设计
永磁体的尺寸以及电机转子的磁路结构，决定了电动机的磁负荷。

而磁负荷
又决定了电机的功率密度和损耗，对于内置式电动机永磁体的设计有如下公式:
3 有限元分析
3.1 电机空载情况分析
空载情况下电机绕组的电流基本为0，空载感应电动势小于电机的额定电压，空载气隙磁密接近正弦分布且幅值约为0.9T，空载齿部磁通密度最大值大约在
1.3T，空载轭部磁密最大值大约在1.7T左右。

空载情况下转矩是按照一定的幅值振动此转矩为电机的齿槽转矩可以看出电
机的齿槽转矩最大值大约在100，综上所述电机空载情况下运行的各项参数基本
满足电机的要求，各项参数值基本保持在误差范围以内。

3.2 电机额定负载情况分析
电机在额定负载运行的情况下(负载转矩等于电机的额定电磁转矩)，三相感
应电动势和三相感应磁链始终保持在电机额定值左右。

在额定负载下电机的磁通
密度保持较好，电机轭部磁密大约在1.8T左右，齿部磁密大约在1.5T左右。

所
以电机在额定状态下运行时基本满足条件，验证了电机设计的合理性。

4 结论
本文目的也是给大功率永磁同步电机国产化提出初步设计建议。

希望大功率
永磁电机的国产化可通过借鉴国外先进产品的技术加上国内外专家的共同努力，
从安全性、可靠性、稳定性、准确性等方面入手，通过自主研发，以此来研制出
满足用户要求的高性能产品。

参考文献
[1]中国西气东输管道工程选中GE燃气轮机和压缩机组[J].油气储运，2006.
[2]陈世坤.电机设计(第2版)[M].北京：机械工业出版社，1990.
[3]王秀和.永磁电机[M].北京：中国电力出版社，2007.
作者简介
高顺华，吕开钧，王世君，王维斌，吕文娥.上海：中国石油西气东输管道公司，上海200122。