周 哲，王耀鋒，謝衛才 1，，顏漸德1，，彭 凡
（1.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng )新中心，湘潭 411104；
2.湘潭電機股份有限公司，湘潭 411104；
3.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室，湘潭 411104）
伺服驅動(dòng)電機的性能直接影響風(fēng)電機組偏航系統的性能［1］.目前國內偏航驅動(dòng)電機一般采用普通的工頻交流電機，偏航控制精度不高，啟動(dòng)時(shí)機械沖擊大，啟動(dòng)電流大，在頻繁正反轉的工況下故障率高，如偏航齒輪箱和偏航軸承打齒概率高、電機溫升，導致電機使用壽命縮短，開(kāi)關(guān)跳閘，偏航系統的可靠性亟待提高.文獻［2］指出傳統異步電機設計方法在變頻調速異步電機設計中存在局限性，并提出了新的轉子設計方法.本文主要針對國內某廠(chǎng)家對偏航伺服電機的要求進(jìn)行設計，采用場(chǎng)路結合的設計方法，對交流變頻偏航電機進(jìn)行了優(yōu)化設計，之后對偏航電機額定點(diǎn)性能、不同頻率下電機特性、電機瞬態(tài)場(chǎng)特性進(jìn)行仿真分析，仿真結果滿(mǎn)足設計要求，并制作了一臺樣機驗證其性能.
根據某型號風(fēng)電機組對偏航系統驅動(dòng)性能的要求，給出如下設計參數：額定功率3 kW，額定轉速960 r/min，額定電壓AC 400 V，額定頻率52 Hz，額定電流7 A，制動(dòng)電壓DC 24 V，制動(dòng)力矩34～46 N·m，絕緣的耐熱等級F（155），工作制S2-30 min，繞組Y 連接.
變頻電機的主要尺寸是指定子內徑和定子鐵芯有效長(cháng)度.變頻電機的主要尺寸決定了電機的成本、電機的容量、同步轉速、氣隙磁通密度［3］.
根據異步電機自適應模型［4］，本次設計初定定子外徑D1＝245 mm，內徑Di1＝167 mm，轉子外徑D2＝166.2 mm，電樞鐵芯有效長(cháng)度Lef＝95 mm，氣隙初取值為0.4 mm.
對定子槽數做出以下的設計：參考與此相似的電機，每極每相槽數q1＝2，定子槽數Z1＝2m1pq1＝36.此外，轉子做斜槽處理，能夠有效地提升電機的效率［5］，同時(shí)也能夠避免因槽數選擇不當所導致的起動(dòng)力矩的減?。?］.其中定子齒距t1＝0.01456 m，見(jiàn)式（1）：
具體的槽尺寸為：Hs0為0.8 mm，Hs1為1.7 mm，Hs2為 17 mm，Bs0為 3.8 mm，Bs1為 10 mm，Bs2為12 mm，槽肩角30°.已經(jīng)從定子尺寸中得到了電機的主要設計尺寸，包括定子外徑、定子內徑和鐵芯長(cháng)度.轉子設計的重點(diǎn)在于槽形和繞組形式，轉子為繞線(xiàn)式轉子，根據式（2）、式（3）和轉子電動(dòng)勢值對轉子繞組進(jìn)行設計.
E1和E2分別為定轉子感應電動(dòng)勢值；
W1為定子每相串聯(lián)匝數；
W2為轉子每相串聯(lián)匝數；
Kw1為定子繞組系數；
Kw2為轉子繞組系數；
Cs2為轉子每槽導體數；
m2為轉子相數；
a2為轉子并聯(lián)支路數.因為轉子每相串聯(lián)匝數和每槽導體數必須為整數，在雙層繞組中，Cs2還必須是偶數，所以在計算中需要對它們進(jìn)行取整.
根據以上討論分析，本次設計的轉子槽數初定為33 槽，采用平底槽，槽口寬為1 mm，槽寬b1為11.8 mm，槽底寬b2為2.4 mm，槽口h1為0.5 mm，槽肩角30o，槽身高h2為18 mm.
在對定子繞組進(jìn)行設計時(shí)，選擇單層鏈式繞組，節距為：1～6.該設計具有以下的優(yōu)勢：不存在有層間絕緣，從而使槽的利用率更高［7］；
所用到的線(xiàn)圈數量明顯少于雙層的，便于嵌線(xiàn)操作，同時(shí)依據以下公式設計定子繞組.
槽距角：
極距：
分布系數：
短距系數：
式中y 為繞組節距.
在繞組匝間的連接則使用全極方式，三相60°相帶，并聯(lián)支路數1，采用Y 接法.由此得到繞組的連接示意圖如圖1 所示.
圖1 繞組連接圖
將前文計算的電機參數導入ANSYS Maxwell的RMxprt 模塊后，對偏航電機額定點(diǎn)性能、不同頻率下電機特性、電機瞬態(tài)場(chǎng)特性進(jìn)行仿真分析.
頻率為52 Hz 磁路仿真額定點(diǎn)的磁負荷數據如圖2 所示，52 Hz 磁路仿真額定點(diǎn)的性能指標如圖3所示.可以看出磁負荷分布數據均勻，電機輸入功率約3700 W，輸出功率達到3140 W，效率達到84.94%，功率因數達到0.81，扭矩為31.13 N·m，轉速為963 r/min，基本符合預期目標.
圖2 頻率52 Hz額定點(diǎn)的磁負荷數據圖
圖3 頻率52 Hz額定點(diǎn)的性能指標圖
如圖4 所示，在頻率52 Hz 轉速與輸出功率的仿真曲線(xiàn)中，隨著(zhù)轉速的增大，功率不斷上升，在轉速達到960 r/min 的時(shí)候，功率大約為3000 W，符合電機設計的額定參數.如圖5 所示，在頻率52 Hz 輸出轉矩與轉速的仿真曲線(xiàn)中，可以看出電機在額定轉速附近能夠保持恒定轉矩輸出，結合圖4～圖7 仿真曲線(xiàn)來(lái)看，仿真結果符合設計要求，達到設計預期目標，誤差較小.
圖4 頻率52 Hz轉速與輸出功率的仿真曲線(xiàn)圖
圖5 頻率52 Hz輸出轉矩與轉速的仿真曲線(xiàn)圖
如圖6 所示，頻率為26 Hz 的轉矩與輸出功率仿真曲線(xiàn)，在速度不變時(shí)，輸出轉矩明顯和輸出功率成正比關(guān)系.如圖7 所示，頻率為26 Hz 的轉矩與轉速仿真曲線(xiàn)中，可以看出該電機在基頻以下運行過(guò)程中，當轉速達到480 r/min 時(shí)，轉矩仍然可達到37 N·m，完全有能力保持額定轉矩下的恒轉矩運轉.
圖6 頻率26 Hz轉矩與輸出功率仿真曲線(xiàn)圖
圖7 頻率26 Hz輸出轉矩與轉速仿真曲線(xiàn)圖
圖8 頻率為75 Hz 轉矩與轉速仿真曲線(xiàn)，圖9 為頻率75 Hz 相電流與轉速仿真曲線(xiàn).可以看出在基頻以上運行過(guò)程中，轉速上升的同時(shí)相電流在額定電流附近呈減小趨勢，輸出轉矩能力明顯降低，電機處于恒功率運行模式，符合設計要求.
圖8 頻率75 Hz轉矩與轉速仿真曲線(xiàn)圖
圖9 頻率75 Hz相電流與轉速仿真曲線(xiàn)圖
圖10 是額定轉速點(diǎn)瞬態(tài)電磁轉矩與時(shí)間變化曲線(xiàn)圖，圖11 為額定轉速點(diǎn)瞬態(tài)相電流曲線(xiàn).在轉矩曲線(xiàn)中看到計算開(kāi)始的瞬間，電磁轉矩有一個(gè)負向轉矩沖擊，因軟件所給的工況是轉子在0 時(shí)刻前已經(jīng)被拖至額定轉速，然后在0 時(shí)刻突然加電.實(shí)際中的電機均為從靜止升速至額定轉速.該計算方法僅以穩定后的轉矩數值做參考，前半段計算無(wú)真實(shí)工況與之對應.
圖10 額定轉速點(diǎn)瞬態(tài)電磁轉矩曲線(xiàn)圖
圖11 額定轉速點(diǎn)瞬態(tài)相電流曲線(xiàn)圖
圖12 為瞬態(tài)磁場(chǎng)磁感應強度（磁密）分布圖，從圖中可以看出電機在齒部磁密較高，顏色較深，磁密分布基本合理.圖13 為瞬態(tài)磁場(chǎng)磁力線(xiàn)分布圖，從圖中可以看出定轉子磁力線(xiàn)分布主要集中在軛部和齒部，相對來(lái)說(shuō)漏磁是比較少的，磁力線(xiàn)的分布基本合理.
圖12 瞬態(tài)磁場(chǎng)磁密分布圖
圖13 瞬態(tài)磁場(chǎng)磁力線(xiàn)分布圖
將RMxprt 的磁路計算結果與有限元分析的結果作橫向對比，可以發(fā)現在RMxprt 中額定工作點(diǎn)下電機的輸出機械扭矩與Maxwell 2D 中轉矩曲線(xiàn)最后一個(gè)電周期的電磁轉矩相比較，扣除風(fēng)磨損耗和機械損耗（該數值取自RMxprt 設計單），與計算結果接近，能夠相互驗證，滿(mǎn)足設計要求.
本次試驗是依據GB/14711-2004 中小型旋轉電機安全通用要求、GB/T 22670-2008 由變頻器供電的電動(dòng)機試驗方法標準、GB/T 1032-2005 三相異步電動(dòng)機試驗方法、JB/T9616 Y 系列（IP44）三相異步電動(dòng)機技術(shù)條件、JB/T8680 Y2 系列63-250三相異步電動(dòng)機和JB-T 56105-1999 三相異步電動(dòng)機可靠性試驗方法［8］，并結合風(fēng)電偏航電機實(shí)際運行工況進(jìn)行的.
本次試驗項目包括：（1）空載特性試驗；
（2）調速試驗；
（3）負載試驗；
（4）可靠性試驗.
（1）空載特性試驗數據如表1 所示.
表1 空載特性試驗數據
（2）變頻偏航電機不同頻率額定負載下的轉矩響應試驗：考慮到變頻電源對電機的影響，本次測試主要考核了頻率在26 Hz、52 Hz、75 Hz 下電機轉矩的響應情況，如表2 所示.
表2 變頻偏航電機不同頻率額定負載下的轉矩響應
（3）負載試驗：采用直接負載法，以定子電流作為參考來(lái)調節負載的大小.試驗中保持電壓為額定值400 V，電源由電網(wǎng)通過(guò)調壓器供給.負載試驗數據如表3 所示.
表3 負載試驗數據
（4）電機可靠性試驗：電機在額定負載情況下，進(jìn)行300 個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)過(guò)程接通5 min 后，停止2 min.可靠性試驗后，電機仍然能正常工作和制動(dòng)，達到設計要求.
根據試驗數據以及特性曲線(xiàn)，發(fā)現在空載電壓為400 V時(shí)，電機空載電流為3.23 A，轉速達到995 r/min，空載損耗也在允許范圍內，符合預期要求；
堵轉電壓為401 V 時(shí)，堵轉電流為27.8 A，堵轉轉矩達到64.3 N·m，基本達到設計目標；
同時(shí)，在負載試驗中，當達到額定轉矩30 N·m 時(shí)，電機轉速為905 r/min，功率因數為0.8 左右，表現出優(yōu)良的負載特性；
溫升符合F（155）級絕緣要求；
在高壓和高頻工況下，電機轉速轉矩響應平穩，試驗結果與設計計算結果有一定誤差，但是在誤差允許的范圍內滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電機組偏航驅動(dòng)的要求.
