次諧波降低對(duì)分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗的影響

宋 驕，吳 曉

(南通大學(xué)，南通 226019)

0 引 言

分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)具有繞組端部短的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地減小電機(jī)的銅耗、銅重和端部效應(yīng)[1-2]，而且分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)較多的極對(duì)數(shù)可以減小定轉(zhuǎn)子軛部的厚度，有利于減輕軛部的鐵心質(zhì)量[3]。此外，分?jǐn)?shù)槽集中繞組還具有功率密度大、效率高、槽滿率大、定位轉(zhuǎn)矩小、容錯(cuò)性能好和弱磁能力大等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。但是，值得注意的是分?jǐn)?shù)槽集中繞組的繞組磁動(dòng)勢(shì)含有非常多的諧波，這些諧波中與極對(duì)數(shù)相同的諧波能夠與永磁體磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，稱為工作諧波。其它的諧波尤其是低次諧波和幅值較大的齒諧波會(huì)引起局部的鐵飽和、渦流損耗、振動(dòng)噪聲等問題[7-9]，從而使得電機(jī)的性能變差，制約其進(jìn)一步發(fā)展。因此，對(duì)分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)諧波的研究已經(jīng)成為了近年來一個(gè)重要的研究方向。文獻(xiàn)[3]在定子軛部加磁障來降低繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波含量，但是增加了電機(jī)加工的難度。文獻(xiàn)[10]以一臺(tái)20槽22極的五相分?jǐn)?shù)槽集中繞組表貼式永磁電機(jī)為例進(jìn)行分析，在保持電流有效值不變的前提下，以獲得最大平均轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)，采用解析法確定諧波電流分量，并通過有限元法得到驗(yàn)證。文獻(xiàn)[11]建立了直驅(qū)型多相永磁同步電機(jī)定子繞組磁動(dòng)勢(shì)數(shù)學(xué)分析模型，給出了詳細(xì)推導(dǎo)過程，同時(shí)研究了電機(jī)繞組電流和磁動(dòng)勢(shì)的影響因素包括：相數(shù)、供電方式、中性點(diǎn)接法、極槽匹配與繞組分布。文獻(xiàn)[12-13]通過增加繞組的相數(shù)來降低繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波，但是該種方法不具備通用性。

本文基于三相12槽10極的分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)，提出了一種新型的繞組結(jié)構(gòu)來降低定子繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波，從而降低轉(zhuǎn)子損耗。這種方法具有一定的通用性和可行性。此外，在不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下，諧波對(duì)轉(zhuǎn)子損耗的影響程度不同，所以，本文將該新型的繞組結(jié)構(gòu)應(yīng)用于表貼式和表嵌式兩種不同的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行損耗的分析與研究。

1 新型繞組結(jié)構(gòu)

(a) 常規(guī)雙層繞組

(b) 新型雙三相繞組

(a)星形連接

(b)星-三角連接

(1)

實(shí)際加工中，其新型繞組連接方式如圖3所示。

圖3 新型繞組連接圖

每相的2個(gè)線圈產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)：

(2)

(3)

式中：Nc1和Nc2分別為A1相和A2相的匝數(shù)；Im1和Im2為A1相和A2相的最大電流。

通過改變2套繞組之間的相位角，可以削弱磁動(dòng)勢(shì)諧波的次諧波分量，從而降低電機(jī)的損耗。

2 定子繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波

定子電樞繞組通入電流會(huì)在氣隙中產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)。設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，在Maxwell軟件中進(jìn)行了定子繞組磁動(dòng)勢(shì)仿真驗(yàn)證。圖4為傳統(tǒng)三相12槽10極雙層繞組與采用星-三角形繞組連接的磁動(dòng)勢(shì)諧波對(duì)比圖。

圖4 傳統(tǒng)與新型結(jié)構(gòu)12槽/10極電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)諧波對(duì)比圖

由圖4可見，5次諧波為該電機(jī)的工作波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量，7次和17次諧波為齒諧波，其由固有的定轉(zhuǎn)子極槽配比產(chǎn)生[14]。齒諧波是產(chǎn)生永磁體渦流損耗的主要次諧波[15]，其計(jì)算公式如下：

Z=Q±p

(4)

式中：Q為電機(jī)槽數(shù)；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

同時(shí)，我們將小于基波的諧波稱為次諧波。在12槽/10極電機(jī)中，1次諧波為該電機(jī)的次諧波，它也是產(chǎn)生永磁體渦流損耗的主要諧波。與此同時(shí)，我們還可以看出，采用新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)次諧波下降很明顯，降低了35.9%，可以認(rèn)為，采用新結(jié)構(gòu)后次諧波可以完全消除。我們發(fā)現(xiàn)該仿真結(jié)構(gòu)與理論分析結(jié)果相一致，證明了理論的正確性。

3 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

由上面分析可知，當(dāng)采用新型繞組結(jié)構(gòu)時(shí)，定子繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波會(huì)降低，次諧波的降低會(huì)導(dǎo)致永磁體渦流損耗和電機(jī)鐵耗的降低。但是，基于不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其降低效果并不一樣[16]。因此，我們研究基于不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下的次諧波降低對(duì)其損耗的影響。

(a)表貼式

(b)表嵌式

圖5(a)展示了12槽/10極的表貼式電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其定子有12個(gè)槽組成，轉(zhuǎn)子由10個(gè)永磁體構(gòu)成。由于其永磁體極弧系數(shù)為1，永磁體遍布在整個(gè)轉(zhuǎn)子上，永磁體的導(dǎo)磁性能比較差，與空氣類似。因此，諧波磁力線很難通過轉(zhuǎn)子形成一個(gè)完整的定子-氣隙-轉(zhuǎn)子的回路。圖5(b)展示了12槽/10極的表嵌式電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其永磁體極弧系數(shù)為0.8，由于永磁磁極之間有導(dǎo)磁性能較好的硅鋼片，有利于諧波磁力線的通過，從而形成一個(gè)完整的定子-氣隙-轉(zhuǎn)子的回路。需要說明的是2種電機(jī)結(jié)構(gòu)和尺寸完全一致，其參數(shù)如表1所示。此外，定轉(zhuǎn)子硅鋼片材料特性如表2所示。該電機(jī)的永磁體材料特性如表3所示。

表1 新型繞組結(jié)構(gòu)12槽/10極電機(jī)參數(shù)

4 諧波降低對(duì)損耗的影響

根據(jù)前面分析可知，不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)諧波磁力線的回路產(chǎn)生影響。因此，基于不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下的次諧波降低對(duì)電機(jī)鐵耗和永磁體渦流損耗的影響也是不同的。

表2 定轉(zhuǎn)子材料特性(M19-29G)

表3 永磁體材料特性

圖6(a)展示了基于不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)鐵耗的影響。從圖6(a)中可以看出，與表貼式結(jié)構(gòu)相比，次諧波的降低引起的鐵耗降低在表嵌式中更明顯。這是由于表嵌式結(jié)構(gòu)有利于諧波的通過，因此損耗降低更明顯。與表貼式結(jié)構(gòu)相比，表嵌式的鐵耗下降多0.15%。圖6(b)展示了基于不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)永磁體渦流損耗的影響。從圖6(b)中可以看出，在2種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下，次諧波的降低引起的永磁體渦流損耗降低效果大體一致。這是由于永磁體渦流損耗是諧波直接在永磁體中作用產(chǎn)生，并不需要構(gòu)成回路。與傳統(tǒng)繞組結(jié)構(gòu)相比，由于次諧波的降低，新型繞組結(jié)構(gòu)電機(jī)鐵耗和永磁體渦流損耗都降低了，因此采用新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)有利于電機(jī)的運(yùn)行。

(a) 鐵耗比較

(b) 永磁體渦流損耗比較

5 結(jié) 語

本文研究了一種新型的星-三角連接繞組結(jié)構(gòu)，它能夠有效地降低定子繞組磁動(dòng)勢(shì)次諧波，進(jìn)而降低電機(jī)損耗，有利于電機(jī)的運(yùn)行。但是基于不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，它降低的效果并不一樣。通過有限元仿真發(fā)現(xiàn)，由于表嵌式電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有利于諧波磁力線通過，因此采用新結(jié)構(gòu)后，其電機(jī)鐵耗下降更明顯。此外，由于繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波直接在永磁體中產(chǎn)生永磁體渦流損耗，并不需要通過轉(zhuǎn)子形成回路，故電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)其影響不是很大。因此，表貼式和表嵌式電機(jī)中永磁體渦流損耗下降百分比一致。需要說明的是，這種新型的繞組方法可以適用于具有高諧波含量的其他類型電機(jī)。