專(zhuān)利名稱(chēng)：一種封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)、及弱磁調(diào)速方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)、以及應(yīng)用于該封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)的弱磁調(diào)速方法。
背景技術(shù)：
在石油鉆井平臺(tái)等領(lǐng)域應(yīng)用到的頂驅(qū)設(shè)備中，多是采用異步電機(jī)，異步電機(jī)常常會(huì)存在電機(jī)性能與頂驅(qū)設(shè)備工況不吻合的情況，影響到頂驅(qū)設(shè)備的開(kāi)采進(jìn)度和效率；另外，異步電機(jī)長(zhǎng)期暴露在惡劣的環(huán)境中，會(huì)受到海上鹽霧、濕氣的侵蝕，直接影響到異步電機(jī)的絕緣性能，嚴(yán)重縮短了異步電機(jī)在頂驅(qū)設(shè)備上的使用壽命，為此，迫切需要一種能夠滿(mǎn)足頂驅(qū)設(shè)備工況、具有較長(zhǎng)絕緣壽命的電機(jī)來(lái)替代現(xiàn)有的異步電機(jī)，然而，國(guó)內(nèi)在應(yīng)用到頂驅(qū)設(shè) 備上的永磁同步電機(jī)幾乎還是一片空白。現(xiàn)有的頂驅(qū)設(shè)備中，因受到設(shè)備安裝空間、重量等因素限制，異步電機(jī)通常需要采用較高的電磁負(fù)荷，運(yùn)行時(shí)發(fā)熱較為嚴(yán)重，同時(shí)受到海上鹽霧、濕氣的影響，電機(jī)絕緣材料的壽命和可靠性受到嚴(yán)重考驗(yàn)。針對(duì)采用較高電磁負(fù)荷的電機(jī)，其冷卻方式常采用水冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷兩種。電機(jī)水冷的系統(tǒng)較為復(fù)雜，適用場(chǎng)合較少；而強(qiáng)迫風(fēng)冷方式結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，在很多場(chǎng)合的都得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的電機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷方式是從外部安全區(qū)吸入空氣，經(jīng)電機(jī)一端吹入，直接冷卻電機(jī)繞組，再?gòu)碾姍C(jī)另一端吹出，達(dá)到冷卻的效果。但是在潮濕、空氣帶有鹽霧的惡劣環(huán)境中，空氣中的濕氣與高鹽分含量，會(huì)使得電機(jī)在強(qiáng)迫風(fēng)冷過(guò)程中，對(duì)電機(jī)繞組冷卻的同時(shí),對(duì)電機(jī)的絕緣層產(chǎn)生破壞。電機(jī)停止工作時(shí)，殘留在電機(jī)上的鹽霧等會(huì)冷卻附著在電機(jī)繞組的絕緣層上，對(duì)電機(jī)絕緣層造成很大的傷害，大大降低了電機(jī)的使用壽命。與電勵(lì)磁同步電機(jī)不同,永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)固定不變，永磁場(chǎng)產(chǎn)生的反電勢(shì)和速度成正比，當(dāng)電機(jī)端電壓隨轉(zhuǎn)速升高至逆變器能夠輸出的最大電壓之后，繼續(xù)升高電機(jī)的速度，永磁同步電機(jī)將無(wú)法再作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)，僅對(duì)定子鐵心進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，不接觸到電機(jī)繞組，保證在海上鹽霧、濕氣等惡劣環(huán)境中，電機(jī)的絕緣層不會(huì)受到影響，提高了封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)承受惡劣環(huán)境中的能力、及使用壽命。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子、風(fēng)機(jī)、端蓋、及盤(pán)剎組件，盤(pán)剎組件固定在上端蓋上，風(fēng)機(jī)通過(guò)螺栓固定在盤(pán)剎組件上、并配置有風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)，定子包括定子鐵心與定子繞組，在定子端部分別設(shè)置上、下定子齒壓板，所述定子軛部上沿圓周方向開(kāi)設(shè)若干個(gè)通風(fēng)孔，所有通風(fēng)孔軸向貫通定子鐵心；在定子端部分別設(shè)有對(duì)上、下定子齒壓板形成壓緊的上支架與下支架，其中，上支架與上定子齒壓板、以及下支架與下定子齒壓板的連接處均為內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)，定子繞組的上端部位于上支架的內(nèi)筒內(nèi)側(cè)，定子繞組的下端部位于下支架的內(nèi)筒內(nèi)側(cè)；上支架的內(nèi)外筒之間的空腔區(qū)域形成冷卻風(fēng)的進(jìn)氣腔，進(jìn)氣腔與通風(fēng)孔的上方孔口連通，下支架的內(nèi)外筒之間的空腔區(qū)域形成冷卻風(fēng)的排氣腔，排氣腔與通風(fēng)孔的下方孔方口連通，沿著進(jìn)氣腔、通風(fēng)孔與排氣腔的方向形成冷卻風(fēng)通道；轉(zhuǎn)子上嵌設(shè)有永磁體。作為本發(fā)明的優(yōu)選改進(jìn)，在定子繞組的表面涂覆、固化一層密封膠，作為一層保護(hù)層，隔離潮濕、鹽霧的環(huán)境；上支架與上定子齒壓板、以及下支架與下定子齒壓板之間分別設(shè)置有0形圈，保證上下支架對(duì)定子齒壓板壓緊的同時(shí)，又對(duì)定子繞組起到密封作用。作為本發(fā)明的優(yōu)選改進(jìn)，所述通風(fēng)孔位于定子軛部的兩個(gè)圓周上，每一個(gè)圓周上的通風(fēng)孔沿該圓周方向均勻分布。在定子軛部開(kāi)設(shè)通風(fēng)孔，定子端部分別設(shè)有對(duì)定子繞組形成密封的上、下支架，上支架與下支架分別壓緊定子端部的上、下定子齒壓板，使得冷卻風(fēng)只能沿著進(jìn)氣腔、通風(fēng)孔與排氣腔的方向流動(dòng)，而不會(huì)接觸到定子繞組，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)定子繞組的冷卻，由于封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用內(nèi)嵌式永磁體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子幾乎不發(fā)熱，只需將定子繞組冷卻即可。本發(fā)明的目的還在于提出一種應(yīng)用于上述封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)的弱磁調(diào)速方法，能夠提高永磁同步電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)的弱磁調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)兩倍的弱磁調(diào)速，所采用的技術(shù)方案是一種封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)的弱磁調(diào)速方法，包括以下步驟a調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓和輸出頻率，使得PMSM運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速以上；b記錄電流表Al的測(cè)量值II，此測(cè)量值即為空載弱磁電流，并計(jì)算此轉(zhuǎn)速下需要的轉(zhuǎn)矩電流IlP ;c重復(fù)步驟b，記錄多組測(cè)量值II、及轉(zhuǎn)矩電流Ilp，并由實(shí)際的恒功率工況下的電流公式I= Vllp2+ M2，計(jì)算得出PMSM的電流值I，分析數(shù)據(jù)，判斷電流值I是否超出電機(jī)的額定電流，進(jìn)而得出電機(jī)的弱磁調(diào)速性能是否符合要求。上述步驟a中，變頻器采用ABB變頻器，ABB變頻器與PMSM電連接，電流表Al設(shè)置在ABB變頻器與PMSM連接的電路上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用內(nèi)嵌式永磁體結(jié)構(gòu)，無(wú)勵(lì)磁損耗，轉(zhuǎn)子基本不發(fā)熱，在定子軛部開(kāi)設(shè)有貫通定子鐵心軸向的通風(fēng)孔，定子端部分別設(shè)有對(duì)定子繞組形成密封的上支架與下支架，定子繞組的表面涂覆、固化一層密封膠，使得冷卻空氣只能沿著進(jìn)氣腔、通風(fēng)孔與排氣腔的方向流動(dòng)，僅對(duì)定子鐵心冷卻而不會(huì)接觸到定子繞組，不會(huì)因受到海上鹽霧、濕氣等的侵蝕而破壞定子繞組。應(yīng)用在本發(fā)明中封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)上的弱磁調(diào)速方法，能夠增大電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，提高額定轉(zhuǎn)速以上的弱磁調(diào)速范圍，同時(shí)提高永磁同步電機(jī)的效率和功率因數(shù)。將本發(fā)明中的封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)、及弱磁調(diào)速方法成功運(yùn)用到頂驅(qū)設(shè)備上，能夠?qū)崿F(xiàn)兩倍的弱磁調(diào)速，發(fā)揮高轉(zhuǎn)矩密度的優(yōu)點(diǎn)，具有寬廣的調(diào)速范圍，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在300KW 750KW的頂驅(qū)設(shè)備應(yīng)用永磁同步電機(jī)的空白，具有很好的應(yīng)用前景。


圖I為發(fā)明中一種封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖I中定子鐵心的剖面圖；圖3為圖I中轉(zhuǎn)子的剖面圖；圖4為本發(fā)明中封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)進(jìn)行弱磁調(diào)速的電路結(jié)構(gòu)圖；其中，I-定子；2-轉(zhuǎn)子；3-風(fēng)機(jī)；4-盤(pán)剎組件；
5-上端蓋；6-風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)；7-上定子齒壓板；8-下定子齒壓板；9-上支架；10-下支架；11-進(jìn)氣腔；12-排氣腔。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例結(jié)合圖I至圖3所示，一種封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)，包括定子I、轉(zhuǎn)子2、風(fēng)機(jī)3、端蓋、及盤(pán)剎組件4，盤(pán)剎組件固定在上端蓋5上，風(fēng)機(jī)3通過(guò)螺栓固定在盤(pán)剎組件上、并且配置有風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)6，定子包括定子鐵心與定子繞組，在定子端部分別設(shè)置上定子齒壓板7與下定子齒壓板8 ;定子I軛部上沿圓周方向開(kāi)設(shè)若干個(gè)通風(fēng)孔，所有的通風(fēng)孔軸向貫通于定子鐵心，用于形成冷卻風(fēng)通道。定子端部分別設(shè)有上支架9與下支架10，上支架9用于形成對(duì)上定子齒壓板7的壓緊，下支架10用于形成對(duì)下定子齒壓板8的壓緊，其中，上支架與上定子齒壓板、以及下支架與下定子齒壓板的連接處均為內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)，由套置的內(nèi)筒與外筒組成，定子繞組的上端部位于上支架9的內(nèi)筒內(nèi)側(cè)，定子繞組的下端部位于下支架10的內(nèi)筒內(nèi)側(cè)，使得定子繞組不能與外界冷卻風(fēng)接觸，在上支架9的內(nèi)外筒之間形成了冷卻風(fēng)的進(jìn)氣腔11，該進(jìn)氣腔與通風(fēng)孔的上方孔口連通，在下支架10的內(nèi)外筒之間的空腔區(qū)域形成冷卻風(fēng)的排氣腔12，排氣腔與通風(fēng)孔的下方孔口連通，沿著進(jìn)氣腔、通風(fēng)孔與排氣腔的方向形成冷卻風(fēng)通道；轉(zhuǎn)子上嵌設(shè)有永磁體。在定子繞組的表面涂覆、固化一層密封膠，作為一層保護(hù)層，隔離潮濕、鹽霧的環(huán)境；上支架9與上定子齒壓板7、以及下支架10與下定子齒壓板8之間分別設(shè)置有0形圈，保證上下支架對(duì)定子齒壓板壓緊的同時(shí)，又對(duì)定子繞組起到很好的密封作用。優(yōu)選的，通風(fēng)孔位于定子軛部的兩個(gè)圓周上，每一個(gè)圓周上的通風(fēng)孔沿該圓周方向均勻分布。由于封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用內(nèi)嵌式永磁體結(jié)構(gòu)，無(wú)勵(lì)磁損耗，轉(zhuǎn)子基本不發(fā)熱，只需對(duì)定子繞組進(jìn)行冷卻即可，在定子軛部開(kāi)設(shè)有貫通定子鐵心軸向的通風(fēng)孔，定子端部分別設(shè)有對(duì)定子繞組形成密封的上支架與下支架，定子繞組的表面涂覆、固化一層密封膠，使得冷卻空氣只能沿著進(jìn)氣腔、通風(fēng)孔與排氣腔的方向流動(dòng)，而不會(huì)接觸到定子繞組，不會(huì)因受到海上鹽霧、濕氣等的侵蝕而破壞電機(jī)的絕緣層，提高了封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)適應(yīng)惡劣工況的能力。結(jié)合圖4所示，封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)，通過(guò)弱磁調(diào)速以擴(kuò)大調(diào)速范圍，為使永磁同步電機(jī)具有寬廣的恒功率調(diào)速能力，保持電流不變，通過(guò)控制電流的超前導(dǎo)通角度，使得轉(zhuǎn)速達(dá)到兩倍的額定轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩平均值變?yōu)轭~定轉(zhuǎn)矩的一般，功率基本保持不變，從而實(shí)現(xiàn)兩倍的弱磁調(diào)速能力。本發(fā)明中應(yīng)用在封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)上的弱磁調(diào)速方法是負(fù)載電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2400rpm、額定功率為600KW，通過(guò)調(diào)節(jié)ABB變頻器的輸出電壓和輸出功率，使得永磁同步電機(jī)PMSM在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行。記錄Al的測(cè)量值II，此測(cè)量值即為空載弱磁電流。
計(jì)算在此轉(zhuǎn)速下需要的轉(zhuǎn)矩電流Ilp，實(shí)際恒功率工況下的電流I^llp2+ Il2。在下列工況下，如果I始終不超過(guò)電機(jī)的額定電流，即可認(rèn)為電機(jī)的弱磁調(diào)速性·能符合要求?！?120%額定轉(zhuǎn)速，額定功率-140%額定轉(zhuǎn)速，額定功率-160%額定轉(zhuǎn)速，額定功率—180%額定轉(zhuǎn)速，額定功率—200%額定轉(zhuǎn)速，額定功率表I為弱磁調(diào)速試驗(yàn)記錄以及測(cè)試結(jié)論
SS 額定轉(zhuǎn)速的記錄空載Ii 計(jì)算負(fù)載電計(jì)算電流I ___百分比___流Ilp__
11440120%13 3250.0792 250.4326182
21680140%4(0214.3536 218,1460883
31920160%120.7187.5594 223.0403966
42160180%180.8166.7195 245.9350152
52250187.50%200.5258.65364~
163.4058
6I 2400 丨 200% 丨 220 丨 163 | 273.8046749由表I試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，即使到了極限工況時(shí)，恒功率工況下的電流I也不會(huì)超過(guò)電機(jī)的額定電流274A。該工況下，電機(jī)是可以承受的。本發(fā)明中的封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)弱磁范圍寬，氣隙主磁通大，應(yīng)用本發(fā)明的電機(jī)與調(diào)速方法，可以增大電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，提高高速運(yùn)行時(shí)的弱磁調(diào)速范圍，同時(shí)提高了電機(jī)的效率、功率因數(shù)和可靠性。封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)，成功運(yùn)用到頂驅(qū)設(shè)備上，并實(shí)現(xiàn)了兩倍的弱磁調(diào)速，發(fā)揮了高轉(zhuǎn)矩密度的優(yōu)點(diǎn)，又具有寬廣的恒功率調(diào)速范圍，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在300KW 750KW應(yīng)用到頂驅(qū)設(shè)備的永磁同步電機(jī)的空白，具有很好的應(yīng)用前景。當(dāng)然，上述實(shí)施例并不是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不限于上述舉例；應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本說(shuō)明書(shū)的教導(dǎo)下，所做出的任何變形、變化、改變或替換形式，均應(yīng)落在本發(fā)明說(shuō)明書(shū)保護(hù)的范圍之內(nèi)，理應(yīng)受到本發(fā)明的保 護(hù)。
權(quán)利要求
1.ー種封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子、風(fēng)機(jī)、端蓋、及盤(pán)剎組件，盤(pán)剎組件固定在上端蓋上，風(fēng)機(jī)通過(guò)螺栓固定在盤(pán)剎組件上、并配置有風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)，定子包括定子鐵心與定子繞組，在定子端部分別設(shè)置上、下定子齒壓板，其特征在于所述定子軛部上沿圓周方向開(kāi)設(shè)若干個(gè)通風(fēng)孔，所有通風(fēng)孔軸向貫通定子鉄心；在定子端部分別設(shè)有對(duì)上、下定子齒壓板形成壓緊的上支架與下支架，其中，上支架與上定子齒壓板、以及下支架與下定子齒壓板的連接處均為內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)，定子繞組的上端部位于上支架的內(nèi)筒內(nèi)側(cè)，定子繞組的下端部位于下支架的內(nèi)筒內(nèi)側(cè)；上支架的內(nèi)外筒之間的空腔區(qū)域形成冷卻風(fēng)的進(jìn)氣腔，進(jìn)氣腔與通風(fēng)孔的上方孔ロ連通，下支架的內(nèi)外筒之間的空腔區(qū)域形成冷卻風(fēng)的排氣腔，排氣腔與通風(fēng)孔的下方孔ロ連通，沿著進(jìn)氣腔、通風(fēng)孔與排氣腔的方向形成冷卻風(fēng)通道；轉(zhuǎn)子上嵌設(shè)有永磁體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)，其特征在于在定子繞組的表面涂覆、固化ー層密封膠；上支架與上定子齒壓板、以及下支架與下定子齒壓板之間分別設(shè)置有O形圏。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)，其特征在于所述通風(fēng)孔位于定子軛部的兩個(gè)圓周上，每ー個(gè)圓周上的通風(fēng)孔沿該圓周方向均勻分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任意一項(xiàng)所述的一種封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)的弱磁調(diào)速方法，其特征在于包括如下步驟 a調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓和輸出頻率，使得PMSM運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速以上； b記錄電流表Al的測(cè)量值II，此測(cè)量值即為空載弱磁電流，并計(jì)算此轉(zhuǎn)速下需要的轉(zhuǎn)矩電流Ilp ; c重復(fù)步驟b，記錄多組測(cè)量值II、及轉(zhuǎn)矩電流Ilp，并由實(shí)際的恒功率エ況下的電流公式I= ^Wp1+ U2，計(jì)算得出PMSM的電流值I，分析數(shù)據(jù)，判斷電流值I是否超出電機(jī)的額定電流，進(jìn)而得出電機(jī)的弱磁調(diào)速性能是否符合要求。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)的弱磁調(diào)速方法，其特征在于所述步驟a中，變頻器采用ABB變頻器，ABB變頻器與PMSM電連接，電流表Al設(shè)置在ABB變頻器與PMSM連接的電路上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)、以及應(yīng)用于該封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)的弱磁調(diào)速方法。封閉式風(fēng)冷永磁同步電機(jī)包括定子、轉(zhuǎn)子，在定子軛部上沿圓周方向開(kāi)設(shè)通風(fēng)孔，通風(fēng)孔軸向貫通定子鐵心，定子端部設(shè)置有對(duì)定子繞組形成密封的上支架與下支架，定子繞組的表面涂覆、固化一層密封膠，使得冷卻空氣僅對(duì)定子鐵心冷卻，避免了海上鹽霧、濕氣對(duì)定子繞組的侵蝕，本發(fā)明中的弱磁調(diào)速方法，能夠?qū)崿F(xiàn)兩倍的弱磁調(diào)速。將本發(fā)明中的永磁同步電機(jī)、及調(diào)速方法應(yīng)用到頂驅(qū)設(shè)備上，充分發(fā)揮了高轉(zhuǎn)矩密度的特點(diǎn)，具有寬廣的恒功率調(diào)速范圍，具有的很好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02P6/08GK102684438SQ20121016833
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者張國(guó)平, 楊松, 王云洪, 陳起旭 申請(qǐng)人:青島海西電機(jī)有限公司