定子槽數(shù)和氣隙長度對高速永磁無刷電動機(jī)性能的影響

薛劭申，方 程，沈 圍，葛寶明，許海平

(1.北京交通大學(xué)，北京100044;2.中國科學(xué)院電工研究所，北京100190)

0 引 言

由于永磁無刷電動機(jī)具有效率高、體積小等優(yōu)點，正越來越廣泛地應(yīng)用在高速泵、高速電動工具、高速磨床等加工機(jī)床，高速飛輪儲能系統(tǒng)，高速離心壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)等高速場合。

文獻(xiàn)［1－3］中，浙江大學(xué)沈建新等人受浙江省自然科學(xué)基金資助，研究高速直流無刷電動機(jī)，研究的功率范圍主要集中在2～3 kW，轉(zhuǎn)速范圍10 000～150 000 r/min，主要研究方向為充磁方式、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等。

沈陽工業(yè)大學(xué)受國家重點自然科學(xué)基金項目資助，主要研究內(nèi)容集中在高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與強度問題、轉(zhuǎn)子動力學(xué)等方面。文獻(xiàn)［7－9］對他們研制的轉(zhuǎn)速60 000 r/min的高速永磁電機(jī)進(jìn)行了介紹。

本文介紹了高速永磁電機(jī)設(shè)計的總體流程，提出高速永磁電機(jī)設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題，并分析了不同氣隙長度和定子槽數(shù)對電機(jī)性能的影響。

1 轉(zhuǎn)子設(shè)計

1.1 永磁轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和保護(hù)

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)按永磁體安裝方式可分為三種:實心永磁體結(jié)構(gòu)、永磁體表貼式、永磁體內(nèi)嵌式，如圖1所示。

永磁體內(nèi)嵌式是將永磁體埋入轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)，結(jié)構(gòu)堅固，可承受高轉(zhuǎn)速運行時所產(chǎn)生的較大離心力［4－5］，但內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)的永磁體分布不均勻，在高速運行時，會在永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心的邊緣處產(chǎn)生很大的應(yīng)力［6］，可能對轉(zhuǎn)子鐵心或永磁體產(chǎn)生破壞。

實心永磁體結(jié)構(gòu)和永磁體表貼式結(jié)構(gòu)具有機(jī)械對稱性好的優(yōu)點，但由于永磁材料能承受的拉應(yīng)力較?。?］(＜80 MPa)，所以為防止永磁體在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下受到巨大離心力而遭到破壞，需要在永磁體外加一層保護(hù)措施。目前常用的保護(hù)措施有兩種:一種是用碳纖維或玻璃絲綁扎永磁體，另一種是在永磁體外加一個高強度非導(dǎo)磁金屬護(hù)套。碳纖維綁扎帶厚度比較小，而且由于其導(dǎo)電性較差，所以不產(chǎn)生高頻渦流損耗。但碳纖維材料散熱性較差，轉(zhuǎn)子不易散熱，而且為了達(dá)到屏蔽諧波的目的，往往還要在綁扎帶內(nèi)加一層銅屏蔽層，這就加大了加工的難度。非導(dǎo)磁金屬護(hù)套可以屏蔽高次諧波，減少永磁體上的渦流損耗，而且它導(dǎo)熱性好，有利于轉(zhuǎn)子散熱。

1.2 極數(shù)選擇

高速電機(jī)的極數(shù)較少，一般情況下，采用2極或4 極，他們各有優(yōu)缺點［8］:

2極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，強度高。與4極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，2極結(jié)構(gòu)電機(jī)的磁通頻率和定子電流頻率小得多，所以相應(yīng)的損耗就小很多。但2極電機(jī)的最大缺點是其長度要比4極電機(jī)長得多。

4極電機(jī)比2極電機(jī)軸向長度小，但它的定子銅耗和鐵耗比2極電機(jī)大很多。

從電磁和機(jī)械角度考慮，本設(shè)計采用2極方案。

2 定子設(shè)計

2.1 定子結(jié)構(gòu)

定子鐵心結(jié)構(gòu)分為有槽結(jié)構(gòu)和無槽結(jié)構(gòu)兩種，有槽結(jié)構(gòu)能減少N、S極之間的漏磁，還可以增大繞組和定子鐵心的表面接觸面積，提供了一個較低的熱阻路徑，這對繞組和轉(zhuǎn)子的散熱也很重要。

無槽結(jié)構(gòu)取消了傳統(tǒng)的齒槽結(jié)構(gòu)，所以電機(jī)的鐵耗只有軛部損耗而沒有齒部損耗，這樣的結(jié)構(gòu)使電機(jī)鐵耗降低，但是這種結(jié)構(gòu)繞組加工工藝復(fù)雜，而且無槽結(jié)構(gòu)的氣隙較大［9］，永磁材料利用率低。本設(shè)計采用定子有槽結(jié)構(gòu)。

2.2 槽數(shù)的選擇

文獻(xiàn)［10］、［11］中介紹了一些常用三相電機(jī)的極槽數(shù)配合，對無刷電機(jī)可能用到的極槽數(shù)配合給出了完整的總結(jié)。表1給出2極永磁電機(jī)幾種常用的極槽數(shù)配合。

表1 幾種常用的極槽數(shù)配合

為保持電機(jī)的反電勢不變，每相串聯(lián)匝數(shù)不改變，所以改變槽數(shù)的同時，保持槽的總面積不變，研究不同極數(shù)槽數(shù)配合對電機(jī)的影響。

3 主要尺寸的確定

3.1 主要尺寸和長徑比確定

電機(jī)的主要尺寸與計算功率、轉(zhuǎn)速、電磁負(fù)荷有關(guān)，即［12］:

3.2 齒寬和軛高的確定

在定子槽數(shù)和主要尺寸確定后，需要計算定子齒部寬度和軛部高度，計算方法如下:

齒寬:

式中:t1為齒距;Bσ為氣隙磁密;KFe為疊壓系數(shù);Bt1為齒部磁密，為了減小齒部損耗，盡量取較低值。

軛高:

式中:τ為極距;Fs為波幅系數(shù);Bj1為軛部磁密，為了減小軛部損耗，盡量取較低值。

4 設(shè)計流程

如圖2所示，設(shè)計流程包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、電磁設(shè)計、機(jī)械和熱設(shè)計三個部分。其中結(jié)構(gòu)設(shè)計包括極數(shù)選擇、定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)確定、繞組形式確定等。電磁設(shè)計是對電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行計算、校驗，以確定電機(jī)的各部分尺寸;機(jī)械和熱設(shè)計是對電機(jī)的機(jī)械強度、溫升進(jìn)行校驗。

圖2 設(shè)計流程圖

5 分析計算與設(shè)計

5.1 電機(jī)參數(shù)

額定功率7.5 kW，額定轉(zhuǎn)速30 000 r/min，極數(shù)為2，相數(shù)為3，永磁體保護(hù)為碳纖維綁扎。

5.2 不同槽數(shù)方案對比

根據(jù)本文的設(shè)計方法，針對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行高速永磁電動機(jī)設(shè)計，建立了4種不同槽數(shù)的電機(jī)模型，如圖3所示，表2則給出了4種槽數(shù)方案的設(shè)計參數(shù)。

表2 不同槽數(shù)方案參數(shù)

其中，6槽方案節(jié)距為1，采用集中繞組結(jié)構(gòu)，這種繞組端部短，有利于減小轉(zhuǎn)子軸向長度提高轉(zhuǎn)子的固有頻率［13］，適合高速運行。從主要尺寸計算公式看到，改變繞組因數(shù)會影響電機(jī)設(shè)計的主要尺寸，而為了在電機(jī)主要尺寸不變的情況下研究槽數(shù)對電機(jī)性能的影響，需要排除繞組因數(shù)的影響，所以在不同槽數(shù)方案中取不同的節(jié)距來盡量保證繞組因數(shù)不變。

5.2.1 空載計算結(jié)果及波形

對模型進(jìn)行空載計算，得到空載條件下不同槽數(shù)方案的齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示，表3給出計算結(jié)果。

表3 不同槽數(shù)方案空載計算結(jié)果

計算結(jié)果表明:空載情況下，槽數(shù)越多，轉(zhuǎn)子的齒槽轉(zhuǎn)矩越小。

5.2.2 負(fù)載計算結(jié)果及波形

根據(jù)電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速等要求，對模型進(jìn)行負(fù)載計算，得到負(fù)載條件下不同槽數(shù)方案的轉(zhuǎn)子損耗波形，如圖5所示，表4給出了計算結(jié)果數(shù)據(jù)，其中轉(zhuǎn)子損耗為計算結(jié)果穩(wěn)定后一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的平均值。

表4 不同槽數(shù)方案負(fù)載計算結(jié)果

計算結(jié)果表明:額定負(fù)載情況下，隨著槽數(shù)的增多，轉(zhuǎn)子渦流損耗逐步減少。

5.3 不同氣隙長度方案對比

經(jīng)過以上方案分析，以24槽方案為例，改變其氣隙長度，研究氣隙長度對轉(zhuǎn)子損耗的影響，且為了排除氣隙磁密的影響，改變氣隙長度的同時保持氣隙磁密幅值不變。表5給出空載條件下計算結(jié)果。

表5 不同氣隙長度對電機(jī)影響

不同氣隙長度方案對比的結(jié)果表明，空載條件下，轉(zhuǎn)子損耗隨氣隙增大而減小。氣隙長度達(dá)到2 mm后，再增加氣隙磁密，對轉(zhuǎn)子損耗的削弱效果不明顯。

6 結(jié) 論

本文總結(jié)了高速永磁無刷電動機(jī)的設(shè)計流程，討論了高速永磁無刷電動機(jī)設(shè)計的幾個關(guān)鍵問題，通過計算分析研究了定子槽數(shù)和氣隙長度對高速永磁無刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗及齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。得出以下幾點結(jié)論:

(1)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，2極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，強度高。與4極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，2極結(jié)構(gòu)電機(jī)的磁通頻率和定子電流頻率小得多，所以相應(yīng)的損耗就小很多。

(2)永磁體結(jié)構(gòu)方面，表貼式結(jié)構(gòu)具有機(jī)械對稱性好、安裝方便、成本較低等優(yōu)點，在高速永磁電機(jī)的設(shè)計中較為常用，所以本設(shè)計采用了表貼式永磁體結(jié)構(gòu)。

(3)空載條件下，槽數(shù)越多，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩脈動越小。額定負(fù)載情況下，隨著槽數(shù)的增多，轉(zhuǎn)子渦流損耗逐步減少。

(4)空載條件下，轉(zhuǎn)子損耗隨氣隙增大而減小。同時。氣隙長度達(dá)到2 mm后，再增加氣隙長度，對轉(zhuǎn)子損耗的削弱效果不明顯。

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