摘 要
传统起重机多采用异步电机加减速机形式驱动，但其存在很多缺点，例如：结构复杂，传动链长、频繁维修，运行不可靠、异步电机带载的效率和功率因数低、减速箱漏油污染环境等，显然已经不适应当代社会节能减排的观点，而采用低速大转矩的永磁同步电机直驱起重机，正是起重机发展的新趋势。针对起重机多工作在钢厂等恶劣工况，以及其频繁起动、负载范围大、短时工作的特点，本文做了以下研究：
（1）给出了起重机直驱永磁电机的电磁方案，对比三种极槽配合对电机空载气隙磁密、空载反电势、齿槽转矩和输出转矩等性能的影响，选择其最优的极槽配合。对电机齿槽转矩和空载气隙磁密进行优化，首先通过解析法分析出影响优化目标的各个参数因子，再通过PB实验设计筛选出影响效果显着的因子，然后通过响应面法CCF设计研究显着因子和优化目标的关系，将其拟合成多项式形式的目标函数，再通过NSGA Ⅱ优化算法计算出Pareto前沿，最后将优化后的参数进行有限元计算验证，确定起重机直驱永磁电机优化后的方案。
（2）针对起重机经常重载起动、起停频繁、过载运行等特点，研究不同负载下的电机磁场情况。而由于起重机这种带载特点，使得电机容易出现磁饱和，文中研究了磁饱和对电机性能及控制系统的影响。首先，给定不同负载电流研究磁饱和对直交轴电感、和永磁体磁链影响。然后重新建立考虑磁饱和的永磁电机模型，搭建考虑磁饱和的id=0矢量控制模型，并进行不同负载下的仿真分析，与忽略磁饱和的模型做对比，总结磁饱和对电机控制的影响。
（3）考虑电机在起重机上的安装尺寸，需要尽量缩小电机体积，提高转矩密度。所设计的电机方案采用水冷散热方式。本文研究了不同水路形式对电机散热的影响，并根据公式计算水路结构参数和气隙等效的导热系数。分析并计算电机损耗，并对电机施加热源。使用Fluent对电机进行流固耦合传热计算，验证电机方案在温升要求上的合理性。
关键词： 永磁同步电机，参数优化，磁饱和，矢量控制，流固耦合传热计算。
Abstract
Traditional cranes are mostly driven by asynchronous motors and reducers, but they have many disadvantages, such as: complex structure, long drive chain length, frequent maintenance, unreliable operation, low efficiency and power factor of asynchronous motors, environmental pollution due to oil leakage of reducers, etc. Obviously, it is no longer suitable for the requirement of energy saving and emission reduction in contemporary society. However, the new trend of crane development is using low-speed and high-torque permanent magnet synchronous motor (PMSM) to directly drive cranes. Aiming at the harsh working conditions (such as steel plants) of the crane, and its frequent starting, large load range, as well as the short-term working characteristics, the following research has been done:
(1) The electromagnetic scheme of PMSM for direct drive cranes is given. Compare the effects of three types of pole-slot combination on the no-load air-gap magnetic density, back-EMF, cogging torque and output torque of the motor, and select the optimal pole-slot combination. Then, optimizing motor cogging torque and no-load air gap magnetic density is required. Firstly, analyze various parameter factors affecting the optimization goal by the analytical method. Secondly, through the PB experiment design, screen out the factors that have significant effects.Next, through the CCF design in the response surface method, the relationship between the significant factors and the optimization objective is studied, which isfitted into the objective function in the form of polynomial. And the NSGA Ⅱ optimization algorithm is implemented to calculate the Pareto frontier. Finally, the optimized parameters are verified by finite element calculations, and the optimized scheme of the PMSM of the direct drive crane is determined.
(2)Aiming at the characteristics of frequently heavy load starting, frequently start and stop, and overload operation of cranes, the magnetic fields of the motor under different loads are studied. Due to the loading characteristics of the crane, the motor is prone to magnetic saturation. The effects of magnetic saturation on the performance of the motor and its control system are studied in this paper. First, given the different load currents, study the effect of magnetic saturation on the orthogonal axis inductance and the permanent magnet flux linkage. Then, re-establish the model of PMSM considering the magnetic saturation. Establish vector id = 0 control model considering the magnetic saturation, perform the simulation analysis with different loads, and compare with the model that ignores the magnetic saturation to summarizethe influence of the magnetic saturation on the motor control.
(3) Considering the installation size of the motor on the crane, it is necessary to minimize the size of the motor and increase the torque density. The designed motor scheme uses water cooling. This paper studies the effect of different water channels on the heat dissipation of the motor, and calculates the equivalent thermal conductivity of the water channel structure parameters and air gap according to the formula. Besides, this paper also analyzes and calculates motor losses, and applys a heat source to the motor. Fluid-solid coupled heat transfer calculations for motors are carried out by fluent, and the rationality of the temperature rise requirements of the motor was verified.
Keywords: Permanent magnet synchronous motor, Parameter optimization, Magnetic saturation, Vector control, Fluid-solid coupled heat transfer calculation。
第 1 章 绪论
1.1 、课题背景及意义 。
传统的起重机的驱动系统是由异步电动机和减速机共同构成，目前的起重行业仍以这种设备为主。但其缺点很多，例如：结构复杂、需要频繁维修、效率低、噪声大、还会存在漏油情况等[1]，显然已经不适应当代社会节能减排理念，亟需一种新型驱动设备来代替。
低速大转矩永磁同步电动机的研制是新型直接驱动起重机的关键技术之一[2]。该技术已应用于多种重载工况领域，具有广阔的应用前景。应用异步电机去直驱起重机几乎是不可能的，这是因为异步电机本身的特点限制，如果电机低速运转，磁极的数量会相应增加，需要更大的激励电流[3]，例如一个超过20极的电机，电流的无功和有功分量比值约为0.95:1~1.25:1，结果造成电机功率因数很低只有0.62~0.72之间[4-5]，此外，由于需要提供无功功率，定子绕组中的电流升高，使得铜耗不断增加，发电机效率会急剧下降。所以长期以来，异步电机无法设计为低速大转矩。
那么将起重机的驱动电机用永磁同步电动机替代，即可实现直驱。由于永磁同步电机的激磁电流是由转子处的永磁体提供，定子绕组电流不需要提供无功分量，因而功率因数很高，同时由于定子电流没有了励磁分量，对比同功率同极数的异步电机来说铜耗减小很多，效率得到提升，特别是当极数较多时更为明显，能够减少30%~50%[6]。
此外，永磁同步电动机的极数只需通过增加永磁体的数量来增加，比较容易实现多极的电机设计，且永磁电机在带轻载和重载时的效率和功率因数都很高，使得永磁同步电机应用到起重机直驱上成为可能。
低速大转矩永磁同步电机直驱系统对比与传统异步电机加减速机结构有着很多优点[7-10]：
（1）高效节能。
一方面由于永磁同步电机自身优点，功率因数高、效率高；另一方面，由直驱带来的优势，取消了用来减速的多级齿轮传动装置，从而缩短传动链，减少能量损耗，使得整个系统的效率更为提升。
（2）体积小、质量轻、结构灵活。
传统驱动系统必须由异步电机经2~3级减速才能达到所需的转矩，所以机构庞大，占用面积大；而永磁同步电机直驱系统的体积重量只有原系统的一半左右，而且永磁电机配置灵活，设备安装、调试、维护的难度大大降低。
（3）噪声小、运行平稳。
传动链的缩短使得齿轮啮合的声音不复存在，异步电机高速运行时部件不平衡的振动噪声大大减小。
（4）调速精度高，响应快。
由于永磁电机控制精度高且调速范围广，可以通过建立变频调速与计算机控制相结合的全自动控制系统，可实现起重机的智能化控制。
起重机的起升机构是起重机最重要的核心部件，用来将各种物体移动或升降，是个典型的机电一体化设备，因此其驱动用的电机可以看作是它的“心脏”部分，即作为动力源。全世界的桥式、门式起重机的驱动系统（包括大车小车运行机构和主起升机构）都是通过电机和减速机相连，由减速机高速轴接入，低速轴输出，再连接大小车的车轮轴或者连接滚筒来提供大转矩动力[11-12]。其中在电机连接轴的另一侧要安装制动器，还要安装很多补偿器、联轴器、超载限制辅助器等，体积庞大。减速机的制造是传统起重机的核心之一，而国外生产的一流设备很少卖给我国，所以我国只能生产中低端起重机，将会长期处于生产落后的地位。传统起重机噪音大、效率低、体积大，再加上减速机的频繁维护、漏油污染等等，此外，动力传递链过长，每个环节都可能出现问题，严重则会引起安全事故，显然需要我们制造新型起重设备，来适应我国当前的发展需要。
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1.2、起重机及其控制系统发展概况
1.3、低速大转矩电机的发展概况
1.4、课题的主要研究内容
第2章 起重机直驱永磁电机电磁方案设计及.
2.1、永磁电机结构参数的确定.
2.2、多种方案的对比分析
2.3、起重机直驱永磁电机的方案优化
2.3.1、齿槽转矩与气隙磁密分析
2.3.2、 PB实验
2.3.3、响应面法设计
2.3.4 、基于NSGA II优化求解
2.4、本章小结
第3章 起重机直驱永磁电机磁场特性研究.
3.1、空载与负载情况下的磁场分析
3.2、电感及电磁转矩分析
3.2.1、 直交轴电感的计算,
3.2.2、电磁转矩的计算.
3.2.3、有限元计算
3.3、永磁电机的数学模型,
3.4、永磁电机的矢量控制，
3.5、本章小结
第4章 永磁电机温度场计算与分析.
4.1、起重机直驱永磁电机的水冷分析
4.2、电机损耗分析.
4.3、水路形式的分析与选择
4.3.1、轴向水道的温度分布
4.3.2、周向水道的温度分布
4.4、周向水路的设计.
4.5、仿真模型建立及温度场分析分
4.5.1、各部分导热系数的处理
4.5.2、热源的分布.
4.5.3、边界条件.
4.5.4、永磁电机的温度场整体仿
4.6、 本章小结
第 5 章 结 论
本文研究了起重机直驱永磁电机，来改善目前多数异步电机加减速机的驱动形式，减少维护，提高运行可靠性。主要做出的工作以及结论如下：
（1）根据实际工程中提出的起重机驱动系统的参数，确定可行性方案，设计一台应用到32t起重机的直驱永磁电机。比较12极36槽、12极72槽、20极48槽三种极槽配合，控制其他参数相同的同时，研究其对电机电磁性能和输出性能的影响，最终选择20极48槽方案，为更优极槽配合。然后对方案进行优化设计，首先用解析法分析出影响齿槽转矩和空载气隙磁密基波幅值的参数，之后通过PB实验筛选出影响显着的因子，再通过面响应法CCF设计拟合出多项式目标函数，再通过NSGA Ⅱ算法计算Pareto最优解，最后通过有限元法验证优化的结果，结果表明，优化后的转矩稳定性良好，转矩波动仅为输出转矩的0.84%。
（2）研究起重机直驱永磁电机磁饱和对电机性能和控制系统的影响，对绕组施加不同的负载电流进行扫描，得出以下结果：随着负载电流的增加，齿磁密饱和程度加深；d、q轴电感参数随着负载电流增加而降低；输出转矩逐渐达到饱和，上升速度减慢；永磁体磁链随饱和程度加深，逐渐减小。建立了考虑磁饱和的永磁电机模型，其中变化的电感和磁链参数，由仿真的曲线经立方回归拟合得出的多项式函数确定。搭建id=0矢量控制模型，仿真结果表明，在起重机频繁起停、突加负载以及过载等负载电流增加的情况下，会对控制的平稳性产生影响，饱和程度越深，越会降低平稳性。且与不考虑饱和的控制相比，饱和程度越深，结果相差越大。
（3）文中电机采用水冷方式，对周向和轴向水路进行建模仿真，研究两种水路形式的冷却和散热特点，结果表明，轴向水路散热能力稍强于周向，但由于在周向上产生较大的温度梯度，会对三相对称性造成影响，并且在拐弯处存在“死水区”，造成局部温升过高情况，最终确定选择周向水路作为冷却的水路形式。根据理论公式计算设计水道，计算了气隙和机壳部分的等效导热系数。对水冷电机进行建模采用1/4模型进行流固耦合传热计算，结果表明，电机最高温度为99.42℃，位于绕组端部。永磁体最高温度为77.22℃，未达到极限温度，且绕组和永磁体在轴向上的温度变化范围较小，符合设计要求。
参考文献.
