引言
永磁同步电机因其功率密度高、可靠性好等特点被广泛应用于交通领域。开绕组永磁同步牵引电机(open-winding permanent magnet synchro‐noustrac tion motors，OW-PMSTM)由两逆变器供电，电压增加两倍，电机调速范围拓宽。共母线OW-PMSTM系统只需一个直流电源，结构简单，成本低，应用广泛。
1异步电机和永磁同步电机的选择
在低速状态，异步电机的启动转矩倍数一般在0.4-0.6之间，无法实现系统的满载启动，且电机在启动时有4-6倍的冲击电流。而永磁同步电动机的启动转矩倍数为2.2，甚至更高（主要取决于变频器的容量），且启动电流倍数仅为2-3倍，完美适应采煤机牵引电机的满载甚至超载频繁起动工况要求，可直接启动，避免了因堵转、过载而造成的电机损坏。同时异步电动机在低速下的效率一般在80%以下，功率因数在0.75以下，损耗较大，且在轻载、空载等工况下无功消耗很大。而永磁同步电动机的效率一般在0.90以上，功率因数在0.85以上，不管在任何工况下都具有效率优势和低无功损耗的优势。永磁同步电动机与异步电机所不同的主要是转子结构，而永磁同步电动机的转子结构根据其使用要求的不同又有多种多样。而对于异步的采煤机牵引电机来说，目前国内主流设计为转子笼条为双笼结构，上导条用于启动，下导条用于运行，上导条一般采用锰黄铜、铝青铜、硅青铜等铜合金，电阻率大，满足国内行业标准MT/T1040及实际工况的启动转巨大启动电流小的要求。但是也由于上导条电阻率大，导致转子损耗相应增加，叠加频繁启动工况，因此易出现端子断条现象。此次项目实施方案的要求为满足现场实际要求，在不改变采煤机结构前提下提高牵引电机功率可以有效降低电机绕组的温度，同时可以提高采煤机行走部速度，满足电机的安装尺寸与进口采煤机7LS1A型所使用90kW牵引电机完全相同。
2直驱永磁牵引电机振动原因
2.1径向电磁力研究
永磁牵引同步电机气隙磁场相互作用会产生随时间和空间变化的电磁力波，包括径向电磁力和切向电磁力。其中，径向电磁力会使电机铁心发生周期性的形变引起振动，是电磁振动和噪声的主要来源。永磁牵引同步电机空载运行下，气隙磁场主要由永磁体产生。
2.2流场仿真
电机流场分析采用有限体积法，对于永磁同步电机一般只计算外风路。电机原始三维模型简化后一般包括转轴、风扇、两端端盖和机座；异步电机模型简化后除上述零部件外，一般还包括转子铁心、导条-端环、定子铁心和绕组。获得简化模型后，抽取出流体域，分为静止域和旋转域两部分，并在进出口适当延长流体域。由于两种通风结构的流体域存在差异，为确定合适网格参数，需进行网格无关性验证。同一种通风结构多款电机由于结构相似，为减少计算量，仅在一款电机上进行网格无关性验证，其余电机采用相同或相似网格参数。
2.3异步电机和永磁同步电机的选择
在低速状态，异步电机的启动转矩倍数一般在0.4-0.6之间，无法实现系统的满载启动，且电机在启动时有4-6倍的冲击电流。而永磁同步电动机的启动转矩倍数为2.2，甚至更高（主要取决于变频器的容量），且启动电流倍数仅为2-3倍，完美适应采煤机牵引电机的满载甚至超载频繁起动工况要求，可直接启动，避免了因堵转、过载而造成的电机损坏。同时异步电动机在低速下的效率一般在80%以下，功率因数在0.75以下，损耗较大，且在轻载、空载等工况下无功消耗很大。而永磁同步电动机的效率一般在0.90以上，功率因数在0.85以上，不管在任何工况下都具有效率优势和低无功损耗的优势。永磁同步电动机与异步电机所不同的主要是转子结构，而永磁同步电动机的转子结构根据其使用要求的不同又有多种多样。而对于异步的采煤机牵引电机来说，目前国内主流设计为转子笼条为双笼结构，上导条用于启动，下导条用于运行，上导条一般采用锰黄铜、铝青铜、硅青铜等铜合金，电阻率大，满足国内行业标准MT/T1040及实际工况的启动转巨大启动电流小的要求。但是也由于上导条电阻率大，导致转子损耗相应增加，叠加频繁启动工况，因此易出现端子断条现象。
2.4机流量测试及流场仿真验证
为验证流场仿真可靠性，对A1、B2-1电机在各转速下的流量进行测试，通过测量电机出口平均速度来计算电机流量。A1电机不便于安装风筒，直接在电机出口进行测量，B2-1电机在出口装有风筒。快速预测模型依据上述描述的流场仿真方法和噪声测试方法获得了68组不同电机或不同风扇或不同转速下的流场仿真结果和电机声功率级测试数据。下面使用代理模型技术建立自通风电机气动噪声声功率级的快速预测模型。代理模型方法主要包括多项式响应面法（Response Surface Method，RSM）、Kriging模型、径向基函数（Radial Basis Function，RBF）、神经网络（NeuralNetwork，NN）、支持向量回归（Support Vector Regression，SVR）和移动最小二乘法（Moving Least Squares，MLS）。针对具体问题，除采用上述单一代理模型外，也可以使用组合代理模型。此次使用组合代理模型建立噪声快速预测模型，代理模型建立过程一般包括试验设计，响应值计算、构建代理模型和模型精度验证四部分，此次采用流程有所不同，具体包括数据收集、输入变量选取、样本筛选、代理模型建立和验证4个过程。
2.5样本筛选
对上述参数通过常用方法（比如拉丁超立方试验设计）难以进行试验设计并获得指定样本点。因此，为获得样本空间上合理分布的样本集，基于“欧式距离”建立评估规则对已有样本点进行评估筛选。基于筛选后的样本数据建立组合代理模型，并通过代理模型和交叉验证过程的决定系数和误差大小验证代理模型的准确性和可靠性。
结语
由于永磁电机的机械特性，启动平稳无冲击，且永磁电机动态响应快，智能控制，运行安全可靠，使采煤机行走部的控制更精确，从而提高整个采煤机的采煤效率，同时，电机的绕组温度、轴承温度远低于行业标准值95℃的要求，成功解决了采煤机牵引电机在煤矿井下使用易进水、绕组温度高、转子断条、机座鼓包现场难维修的问题。因此，需要进一步优化自抗扰控制器的速度因子、跟踪因子、滤波因子、补偿因子、校正增益和调节器增益，以达到对实际系统误差的补偿和扰动的抑制，实现所提策略在实际系统中对电机的高效控制。找寻振动噪声的根源方法及针对振动噪声问题的改进方法可以为解决后续电机的振动噪声问题提供参考，具有重要的借鉴意义！
参考文献
[1]李伟业，郝玉涛，陈瑞峰，等.牵引电机气动噪声仿真与试验验证[J].微电机，2022，55（1）：30-33+54.
[2]朱一乔，王文庆.牵引电机整机气动噪声特性的数值模拟研究[J].电机与控制应用，2022，49（1）：56-61.
[3]申政，何维林，王韬，等.自通风型电机气动噪声计算方法的研究[J].风机技术，2019，61（5）：79-84.