浅析深井泵用永磁同步电动机的电磁设计特点

　　这张图片是从网上下载下来的主体结构，里面大概列举了三种结构形式。第一种是充油式的，这种结构形式的话，目前来说应该是成本最低的，也便于装配、设计，他的主体结构包括上面一些挡沙的一个罩；还有外部主要用于挡沙但不主要用于防水的一个件；防水的话主要是来自于里面油室的一个单端面的一个机械密封，来进行一个动密封；然后其他的机壳和油室之间的话是采用O形圈进行的一个静密封。
　　这个泵的结构和普通的工业电机主要有以下几点不同，第一它的机壳是用不锈钢管拉伸、然后再扩、冲孔和滚环槽；第二是他的前盖，在深井泵里面叫油室，他是一个用于安装机械密封和轴承的一个部件；第三就是他的底部有一个油囊，是用来调节内外压差的一个部件，我认为主要是在这几个地方和普通工业电机有区别，其他的结构基本上和工业电机类似。
　　第二种是干式结构，为什么叫干式呢，是因为泵体里面没有充油、没有填充任何润滑介质，安装完后，里面全是空气。前面充油式的，顾名思义就是电机腔体里面充满了一些油，我们叫食品机械油，它是一种食品级的机械油，安全等级比较高一点，可能对人的伤害稍微小一点。
　　干式和前面充油式的主要区别在于，它用了一个双端面的机械密封替代了前面充油式的单端面的机械密封。他的油只限在了前面黄色的油室的机械密封的腔体内，在电机的主腔体内是没油的，只有空气。那么这种电动机相对来说，需要具有更高的效率，因为他的散热相对充油式的话要稍微差一点，所以电机的效率要适当提高一点，弥补一些散热上的不足。
　　这一种的结构有它的好处，因为不充油的话，可以减少油在旋转过程当中的一些损耗，这部分损耗其实对小功率的电机来说影响还是蛮大的。除此之外充油式的结构对于电机内部零部件，例如漆包铜线、转子铁芯、定子铁芯、包括一些不耐油的油囊、有些橡胶圈等在选材上面提出了一些特殊的要求，如果不充油的话，这方面的一些担忧就可以把它消除掉，这也是这种结构的一些好处。
　　第三种结构形式是屏蔽式，这种结构应该是这所有结构当中，造假成本最高，制造工艺难度最大的。屏蔽就是把一些介质屏蔽掉，也就是电机里面的定子和转子与所要泵送的一些介质不接触。定子和转子表面会有屏蔽套，将介质隔离不让介质进入到定转子的内部。
　　像这种屏蔽式电机的轴承基本上都是采用的滑动轴承，简单的说就是一根轴和一个圆环之间进行一个滑动摩擦和支撑。目前主流的这样一种轴承的选材的话是这样的，如果轴是陶瓷，轴套一般是采用石墨；如果轴是不锈钢，轴套一般应该是陶瓷类，碳化硅陶瓷或者氧化铝或是氧化锆。
　　这种结构是把原来需要动密封的地方取消掉了，可以让泵送介质进入到电机内部，但不会进入到定转子内部，他是通过屏蔽套将定转子隔离掉了，所以这种结构不存在动密封也就是机械密封。对于小泵来说他的效率是可以略微提升的，但是由于它采用了屏蔽套，屏蔽套的材料一般是金属的，就会产生涡流，尤其是在定子这一块产生的涡流损耗其实还是蛮大的，所以总的效率是提升了还是降低的，取决于设计。
　　屏蔽式结构对小泵来说，在可靠性方面肯定是要比前面两种形式要好，密封失效的可能性会相对来说风险要低一点。静密封是比较容易密封的，风险较低，但动密封是比较容易失效的。对于动密封失效这个方面，屏蔽式结构就没有这一块担忧，但是它的造价比较高，工艺比较复杂。
　　还有一个比较最重要的点也是最致命一点是屏蔽式结构定转子之间的机械气隙。因为它采用这种屏蔽式结构，则定转子之间的气隙会是一个比较小的一个值。但是针对深井泵的应用来说，泵送介质要经过定转子之间的气隙，如果介质里面的颗粒度比较大，或是说里面有比如水垢一样的杂质，这种情况的话是比较危险的。所以说也是为什么这种结构形式没有在民用或者工业用的一些场合批量生产的一个因素吧，当然目前也有厂家在做这样的尝试，至于未来能否批产，还要待观察。
　　还有一种充水式的，这个图片里面没有，因为他的结构跟充油式的结构类似。充水式的唯一的一个可以说是优势的地方，就是他的散热可能比充油的更好，因为水的比热或者说他在热传导方面性能要好很多。但是同时带来一个问题，就是绝缘处理的一个问题，而绝缘处理就会带来一些电机效率的下降，总之综合来看的话不是一个比较好的选择，这里不细说了。
　　以上就是现在主要的一些结构，当然今后可能会设计出更加创新的结构，更优的结构，更好的密封性能，更好的电机效率等，希望大家多多关注。下面来讲一下不同供电电源的一些特点，以及对电机电磁设计的一些影响。
　　2 不同供电电源的特点及其对电磁设计的影响
　　2.1 电网供电
　　长电缆、超长电缆带来的压降问题
　　长电缆、超长电缆带来的电机绕组绝缘问题
　　临近同网电源污染带来的谐波问题
　　偏远地方供电电压低的问题
　　电网供电其实是所有供电里面最理想的一种供电形式，但是由于深井泵的一些应用场合又决定了它的一些特点，因为深井泵是埋在地面以下的，深度一般都是几十米深，上百米深。而电机和泵又是一体的，所以同样被埋在井下，这样就会导致电缆线比较长，据我所知一般都超过100米，200米和300米也比较常见。那么这个长电缆超长电缆会带来一些问题。第一个比较简单的就是压降问题，所以在电机设计中要考虑端电压的问题。
　　第二个是比较讨厌的，很长的电缆线会带来电机绕组的绝缘问题，这个问题前段时间我们做过实验，一个电缆线是5米，一个电缆线是150米。这两种电缆线的电机两台同样功率、同一批次，分别用两台同一厂家、同一功率、同一批次生产的变频器来带动在同样的流量和扬程下面连续工作。其中150米电缆线的电机大概800个小时的时候，产生了绕组的匝间短路失效问题。
　　当然，这个实验设计的可能会有一些问题，因为我们不排除两台变频器可能会存在差异，两台电机可能会存在差异，可能制造过程当中存在差异，先不排除有这种可能性，以后我们会设计更加严谨的试验方法去做这样的一些验证。
　　第三点就是电网供电，虽然它的电源质量比较好，但是同时也需要考虑到应用场合的一些特殊性，有些使用场合附近会有一些使用高频炉中频炉的地方，这种设备的使用，会污染电网，造成临近的一些电网的一些电源被污染掉，这种情况对控制器这一块提出了一个比较严峻的挑战。
　　第四点，其实和第一点归结为一个问题就是电缆线长。本身它的端电压就比较低了，然后再加上一个长电缆，问题更加突出。
　　2.2 太阳能供电
　　太阳能板昂贵带来的经济性的问题
　　太阳能供电不稳定带来的问题
　　太阳能配板限制带来问题
　　太阳能供电有这么几个问题，首先是因为太阳能电池板相对来说价格比较昂贵，所以在配置的时候，功率不能留很大余量，这样不经济；功率也不能选的很小，因为电动机无法发挥出本来的性能，所以在对电机设计的时候，要充分考虑到太阳能电池板的性能，选配一个比较合适的太阳能板，降低因为配版造成的一些损失，具体有两点，第一是电压，第二是电流，电压要匹配，电流要匹配，同时要考虑电缆线的压降。所以说这个是一个综合性的问题，有时候要看情况有所取舍。
　　第二个是太阳能供电不稳定的问题，主要是对控制策略方面要做一些处理，以避免太阳能供电的时候突然一片乌云飘过来，因为策略不到位，导致泵频繁的起停，这样也相当的不好。
　　第三点是太阳能配板限制的问题，电池板这一块不是很了解，但是跟他们厂家进行过一些沟通，据我所知，太阳能电池板最好不要采用多路并联，因为多路并联会存在一定的效率损失。也就是全部串联的话，假设效率是100%，那么并成两路或者四路的话，可能效率只有80%，或者甚至更低，而且是不建议进行奇数路并联的，至于为什么我也不太清楚。
　　为什么并联路数越多，他的效率越低。我大概是这样理解的，可能是因为每一块太阳电池板光照的时候产生的电压和电流并不是比较一致的，会造成不同并联支路的太阳电池板之间进行充电或者放电的现象。
　　太阳能供电主要的一个矛盾就是在于如何平衡用户的低电压与太阳能板的经济性问题。还有一个就是对控制来说，如何去适应或者避免太阳能供电不稳定带来的一些频繁起停。那么为了避免频繁起停，又会造成另外一个问题，可能会有意无意的去降低泵的一些运行性能，比如说为了避免泵在太阳能供电弱下来的时候马上停机，会刻意的去限制泵的运行转速，避免太阳能板发电功率急剧波动的时候，泵不会跟着频繁起停。
　　2.3 蓄电池供电
　　考虑蓄电池放电特性
　　考虑蓄电池不宜过度放电
　　考虑蓄电池放电速度
　　蓄电池供电相对于太阳能来说，他比较稳定，但是蓄电池供电也有它的一些特点。第一个是蓄电池有放电特性，初中物理都学过，蓄电池有内阻，放电的伏安特性曲线不是一条直线，是一条类似一半抛物线的曲线，而且随着他的放电程度越深，内阻越大，放电的能力也会随之下降。那么这个的话就决定了电机设计的工作端电压，或者说需要的直流母线电压设计到哪一个点会比较经济。既不会造成功率模块的浪费，又能保证电机在蓄电池放电量接近一半或者在一半多一点的时候也能够在额定点来运行，这个是要考虑的。
　　第二点要考虑蓄电池不宜过度的放电，因为过度放电之后，会对蓄电池的寿命产生影响。
　　第三点是蓄电池放电的速度。大家都知道电池放电速度越慢，蓄电池单次放电的功率或者说放电的容量会越大，这就是我们所说的细水长流，一下子放电速度很快，可能瞬间放电功率会比较大，但是实际放电出来的电能可能会相对来说比较小。那么这就要考虑在电机设计时，尤其是在控制方面，要考虑如何使蓄电池均衡放电，不要在电压很充足的时候，拼命地转，蓄电池放电速度特别快，转一会儿就没电了，要均衡用电。
　　3 深井泵用永磁同步电动机电磁设计要点
　　下面讲关于深井泵用永磁同步电动机的电磁设计要点，主要讲五个方面的内容。

　　第一点是极槽选取，大概分成这么几大类。一个是绕组类型，先要确定绕组类型，因为绕组类型对槽极会有一些制约。对于小口径的深井泵来说，比如两寸的，定子外径可能只有40几，那这种的话是不太建议选用整数槽的，因为毕竟开槽数量有限，没办法开那么多槽。而且极数肯定不能和异步电机一样选择两极，因为这种永磁同步电动机一般很少做成两极的。
　　对于一些大口径的，比如100、125或者150等这种大口径的。由于他的派生系列叠高也会比较长，无论是考虑工艺还是考虑电动机的一些性能，我们都优先选取整数槽分布绕组。对于小口径的一般优先选取分数槽集中绕组，因为小口径的泵，第一是因为他的派生系列的叠高不会过长，第二是因为开槽数量有限，相对来说从工艺或者从它的一些性能来说，分数槽集中绕组是个比较不错的选择。
　　确定了绕组类型后再来看一下定子槽数，针对分数槽集中绕组小口径的方案，比如48的、70的这种来说的话，定子槽数一般选取9槽或者12槽，再多的槽也开不出来。针对大口径的整数槽方案，比如100的、125的，根据他的尺寸定子槽数可以开成24槽，大点的可以30槽，再大点可能会开更多的槽，当然这个也受极数的制约。
　　那么说完定子槽数再来说说极数。极数主要受两个方面制约，一个是转速，一个是成本要求。相对来说转速越高，极数需要选取的越小，转速越低那极数相应来说可以选择更大。一般在100这样的一个尺寸的话，推荐使用24槽8极，转速在5000到6000转左右。相同的转速情况下，极数选取的大话，相应的可以缩短一点轴向长度，减少一些硅钢片的用量，当然磁钢的用量可能会略有增加，可能要综合考虑一下成本要求。
　　第四点，极槽选择还有一个制约因素，就是绕组系数，在满足其他条件的情况下，要优先选取尽可能大一点的绕组系数，然后谐波要尽可能少，针对分数槽集中绕组来说，最好是没有分数次谐波。

　　电磁负荷分为这四个小点来展开一下。电负荷其实就是我们通常说的线负荷，他表征的是沿定子内径一圈的总电流除以定子内径这一圈的周长，从一定程度上来说，线负荷决定了铜的用量。其实还有一个叫电密的参数，一般来说的话，他是不属于电负荷的，但是我也把它纳入进来讲一下，电密就是电流的密度，对深井泵用永磁电机来说一般我们可以把它取到13，如果功率小一点的话，甚至可以取到15或18。
　　磁负荷一般我们指的是气隙磁密B，主要表征铁的用量，对永磁电机来说还有磁钢的用量。深井泵电机对噪声的一些要求，并不是很严格，所以说气隙磁密可以适当的高一点，一般我们可以取到0.8以上，到1.0甚至都是可以接受的，这里指的是有效指。我们一般不把铁心磁密叫做磁负荷，但是今天我也讲一下，铁心磁密一般齿部和轭部都可以取的比较大，1.6、1.7甚至1.8。

　　深井泵电机的特点就是井口尺寸是比较固定的，也就是要求在同样的情况下，电机的定子外径也是一个相对比较固定的值，变动范围很小，可能也就那么一两毫米的变动量。定子外径以及转矩功率定下来之后，则D2L也就基本上确定了。那么这个主要尺寸比λ的取值范围怎么确定呢。
　　深井泵用永磁电机还有一个特点，就是λ一般都比较大，不过也有一个范围。那么λ受到哪些条件的制约呢，第一受到转子结构的制约，不可能无限的增加，转子的挠度较大影响运行的稳定性；第二是散热，大家都知道电机的损耗与长度因子的三次方成正比，但是电机的功率和长度因子四次方成正比，越长、功率越大，散热会越困难。
　　还有一个因素，λ也不宜过大，主要是因为深井泵的负载是一个脉动转矩的负载，要求转子的惯量要尽可能要大一点，避免转速波动，因为转速波动转矩就会波动，而且是一个脉动的，这一点比较不好。
　　那么深井泵用永磁同步电机的λ一般我的经验值是4~8，这个大家可以在实际的应用过程当中去进行一些探讨，这里仅是我当前的一些经验值。

　　气隙大小的选取有一个经验值，这个经验值可以参考异步电机的气隙，在异步电机这个经验值的基础上，适当的再给他乘一个系数，或者说加上一个固定值。
　　气隙的选取首要考虑机械可靠性，就是运转时的一些变形或者说可能会造成的一些位移都要考虑进去，包括它的尺寸公差都要考虑进去，考虑到这些因素之后，要保证定转子之间不能发生干涉不能扫膛，这是最主要的一个考虑因素。第二是经济性，气隙大可靠性会比较好，但是大了之后会造成性能上一些浪费，不经济，所以说气隙的选取要综合考虑。第三是工艺性，加工是否容易实现，是否适用于低成本的实现，这个也是气隙选取的一个考虑因素。
　　气隙的影响前面也提到过，一个是磁钢的用量，气隙越大，输出相同扭矩，磁钢用量会更加的多，气隙减少的话可以相应减少一些磁钢的用量，提高了气隙磁密。第二个是齿谐波的影响，气隙增大后，相应的齿谐波也会有所减少，同时定转子表面附加损耗也会降低，在一定程度上也可以降低一些转矩波动，这个不绝对。还会对电抗参数有影响，对于直流无刷电机来说，可能造成换相上的一些问题。

　　反电势和端电压，或者说和直流母线电压的比值如何确定呢？在确定的过程当中要考虑一些问题。第一个是电压降的问题，分两部分，一个是变压器输出线路的压降，变压器比较远的时候会有一个压降，另外一个是用户电缆线上的一些压降，就是长电缆的一些压降。那么在考虑完这些压降后，以这个作为电机设计端电压的限值或者说直流母线的一个上限值。
　　第二点的话要考虑变频器逆变的方式，SPWM或者SVPWM的，他们的直流母线电压的利用率会有所不同，这也会导致反电势的选取有所差异。其中SPWM的直流母线电压利用率理论上是0.866，SVPWM的直流母线电压利用率理论上是1。
　　第三点要考虑最高的工作电压，为什么要考虑最高工作电压呢，这个就涉及到两种控制方式。我发一个图，大家来探讨一下。

　　大家可以看到，图中绘制出了在N1、N2、N3、N4、N5转速下的泵的流量扬程特性曲线。大概是这样的形状，每一条曲线之间大致的可以认为它是平行的。在两端可能会发生一些比较大的差异的地方，我把它都截取掉了。
　　N1、N2、N3、N4、N5这样的曲线，我们叫它为恒转速控制下的一些特性曲线，也就是电机始终是在一个恒定的转速下工作的。还有一种控制方式是恒功率控制特性曲线，他是怎么产生的呢，例如泵的一个规定的额定流量是Qn，看上图横坐标，对应的转速点是N3这一条曲线上的A点，假设这个点是额定点，A点也是恒功率特性上的一个点。
　　那么当流量增大的时候，如果说转速不变，则电机要提供更大的功率，在恒功率控制的情况下，显然这是不能够存在的，所以需要把转速降下来，以使得电动机维持一定的输出。那么这个时候转速会降到N2，它对应的工作点在D上。如果流量继续进一步增大，则工作点会落在一个更低的转速上，更靠近大流量那个方向上的一个工作点上。
　　当流量小于额定流量时，如果在相同转速情况下，泵所需要的功率会下降，这显然也是不符合恒功率控制特性的，所以会迫使泵增速，让泵输出更大的功率。此时转速会往上提高到N4，工作点落在了B点。同理C点也是这样选取的，那么就形成了一个新的工作特性曲线，CBAD这样的一个特性曲线。当流量足够小的时候，转速不可能无限制的往上升，因为转速受机械结构和电压限制。当转速上升到一个最大转速之后，会在最大转速点，一直这样运行，N5转速就是它的极限转速，此时会沿着N5的恒转速特性曲线的上半部分运行，也就是EC段，则ECBAD共同构成了一个机械特性曲线。
　　那么这样控制有什么好处呢。第一，ECBAD包络了更低转速下面的所有区间，这个传统异步电机是达不到那么大的一个工作区间的一个外特性曲线的。
　　对一般异步电机控制来说，泵的工作特性曲线会近似于在某一个恒定转速的曲线运行，比如N3转速上运行，因为他要保证他的最大功率不超过电动机的额定功率，所以说他在额定点的时候，它的功率是小于电动机额定功率的，他会在A点以下的转速点运行。但是我们采用恒功率控制后，会让他的额定点，包括额定流量以下的所有的点都远远高于原来的N3流量扬程。
　　恒功率控制的工作点不是在某一特定转速下的，他的工作点比较多，需要的端电压也就不是线性的，大概会在额定流量到最大流量之间的某一个点达到它的最大端电压，所以要仔细的去校核工作当中的最大端电压是在一个什么样水平，进而去设计反电动势。要保证泵在恒功率控制的情况下，所有运行点都能够按照ECBAD这样的一个曲线来运行，不会因为电压限制的因素导致它的运行特性曲线发生变形。
　　恒转速控制就比较容易实现了，只需要校核最大功率点时的端电压即可。
　　在考虑了这些因素之后，也就是确定了最高工作电压，这个时候我们如何去确定它的反电势比例呢，大概有这么一个经验值，就是0.85倍的最高工作电压。这是一个经验值，当然这个值大家可以根据实际的一些计算去进行一些测试，进行一些微微调整，调整的范围不大。
　　最后一点是关于控制上的一些问题，比如说功率器件的电流，要在相同的容量情况下，电机输出更大的功率，则反电动势显然都是需要尽可能高的，因为反电动势尽可能高，则工作电流就会尽可能小，那么功率器件的成本就能节约下来。考虑到以上反电势的制约因素后，反电势应该要设计的尽可能大。
　　还有一个要考虑功率器件的规格，也就是我们说的选型，在设计时的电流值尽量不要跨越规格。比如说同样的一种功率器件，有10A的或者15A的，那么在设计时尽量能设计到10A以下，就不要设计成11A的，否则就跨档了，成本上升的比例就比较大。


原作者： hahafu 西莫电机论坛