采用新型磁性槽楔的永磁同步電機分析

梅柏杉,孫慶超

(上海電力大學，上海200090)

0 引 言

永磁同步電機由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高、轉(zhuǎn)矩密度高和效率高等優(yōu)異特點，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于風力發(fā)電、新能源電動汽車等高功率場所[1-2]。永磁同步電機的定子鐵心一般會采用閉口槽結(jié)構(gòu)、半開口槽結(jié)構(gòu)和開口槽結(jié)構(gòu)。閉口槽結(jié)構(gòu)能夠改善氣隙磁密的分布，降低轉(zhuǎn)矩波動，提高永磁同步電機的電氣性能，但是對于定子繞組的下線工藝要求很高，增加電機成本。開口槽和半開口槽則會導(dǎo)致氣隙磁密的分布不均勻，嚴重影響電機的電氣性能[3-4]。

針對定子鐵心為開口槽和半開口槽結(jié)構(gòu)的電機，國外學者提出一種磁性槽楔結(jié)構(gòu)[5-6]。該結(jié)構(gòu)中由于導(dǎo)磁物質(zhì)的存在，提高了槽楔的導(dǎo)磁性能，一定程度上改善了磁導(dǎo)波形的平滑度，削弱電機的齒槽效應(yīng)，從而降低電機的鐵心損耗和齒槽轉(zhuǎn)矩，降低電機振動和噪聲。電機使用磁性槽楔結(jié)構(gòu)后，會在磁性槽楔處形成一小部分漏磁場，增加定子槽漏抗。同時，由于磁性物質(zhì)的存在，在氣隙磁密的作用下，磁性槽楔會受到電磁拉力，進而容易造成磁性槽楔的松動和脫落，甚至損壞電機[7]。另外，由于磁性槽楔處于電機定子鐵心齒部的槽口處，在電機溫度較高的部位。所以，對磁性槽楔的力學性能和電磁性能均有較高的要求[8]。

針對現(xiàn)有問題，本文提出了一種疊片式磁性槽楔。此結(jié)構(gòu)能進一步改善電機的氣隙磁密分布，降低電機齒槽轉(zhuǎn)矩，減小電機的鐵耗。通過解析法分析磁性槽楔對于氣隙磁密諧波以及定子槽漏抗的影響，然后采用有限元法對電機進行仿真計算，分析該結(jié)構(gòu)的電氣性能。

1 磁性槽楔結(jié)構(gòu)和電磁分析

1.1 磁性槽楔結(jié)構(gòu)

疊片式磁性槽楔采用磁性槽楔沖片疊壓而成，磁性槽楔沖片采用硅鋼片沖制，其形狀尺寸與電機鐵心槽的槽口形狀及尺寸一致，硅鋼片材料機械強度高，還設(shè)置了楔入電機齒槽的突耳，在安裝時方便快捷，使用時更加安全可靠；并且此槽楔為中空結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用于電機鐵心槽的槽口時，可對齒槽漏磁通產(chǎn)生磁橋飽和效應(yīng)，因而大幅度減小齒槽漏磁，從而改善與漏磁電抗相關(guān)的電機性能[9]。圖1是單片的磁性沖片，101代表著疊片式磁性槽楔的中孔，102用于用于楔入電機齒槽的突耳。圖2是整體的疊片式磁性槽楔，201代表著注塑成型的中間長通孔，1表示每個磁性沖片。

圖1 單片磁性沖片

圖2 疊片式磁性槽楔

1.2 氣隙諧波磁場分析

在永磁同步電機氣隙處局域內(nèi)建立坐標，如圖3所示。

圖3 電機氣隙區(qū)域

氣隙磁密諧波表達式為[10]：

(1)

式中，X為以橫坐標，Z為電機總槽數(shù)，F(xiàn)v(X)為v次諧波磁動勢幅值，v為諧波次數(shù)，δ為氣隙長度，μ0為真空磁導(dǎo)率。

其中，av和bv進一步表示為：

(2)

(3)

式中：hs為磁性槽楔厚度，bs為定子槽寬，t為齒距，μ為磁性槽楔的相對磁導(dǎo)率。在式(1)中，可以假設(shè):

(4)

將(2)式和(3)式帶入(4)式，得：

由式(1)可知，假設(shè)電機繞組的諧波磁動勢不變，那么氣隙磁密諧波就與cv有關(guān)。由式(5)可知，cv又與電機的定子槽寬、槽數(shù)、齒距和槽楔磁導(dǎo)率有關(guān)，當電機定子結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，氣隙磁密諧波幅值與相對磁導(dǎo)率的1/2次方成反比。

1.3 磁性槽楔的定子漏抗

如圖4所示為定子磁性槽楔的示意圖。

定子槽部高度h2的漏磁鏈為：

(6)

當忽略磁性槽楔時，定子槽口高度h1的漏磁鏈為：

(7)

總漏磁鏈為：

(8)

圖4 定子磁性槽楔

所以，定子槽漏抗為：

(9)

式中:N為導(dǎo)體數(shù)，μ0為真空磁導(dǎo)率，l為鐵心軸向長度，i為定子電流，f為電機頻率。

當定子槽口處放置磁性槽楔時，會引起槽口高度h1處漏磁鏈的變化，氣隙磁場的磁導(dǎo)率變?yōu)棣蘲μ0，μr為相對磁導(dǎo)率，所以定子槽漏抗為：

(10)

由此，當電機使用磁性槽楔時，會增加定子槽漏抗，并且隨著相對磁導(dǎo)率的增加而增大。當定子槽口使用疊片式磁性槽楔時，氣隙磁場的磁導(dǎo)率變?yōu)锽H曲線的斜率，當磁場不飽和時，BH曲線的斜率要大于普通磁性槽楔的μr，也就是定子槽漏抗要大于普通磁性槽楔，當磁場達到飽和時，氣隙磁場的磁導(dǎo)率會變小，使定子槽漏抗的值減小，所以疊片式磁性槽楔采用中空結(jié)構(gòu)，使磁楔處產(chǎn)生磁橋飽和現(xiàn)象，達到減小定子槽漏抗的作用。

2 疊片式磁性槽楔對電機性能的影響

本文設(shè)計了一臺采用磁性槽楔的永磁同步電機，表1是電機的主要參數(shù)。

表1 電機主要參數(shù)

圖5為疊片式磁性槽楔和普通磁性槽楔的電機模型，結(jié)構(gòu)如圖5所示。疊片式磁性槽楔在中間開橢圓孔，長軸為1.5 mm，短軸為1 mm，槽楔的材料為硅鋼片，導(dǎo)磁率為硅鋼片BH曲線，而普通的磁性槽楔的材料為模壓制型，相對磁導(dǎo)率分別為μ=1、3、5、8。兩種電機的其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均一致。以下為疊片式磁性槽楔和普通磁性槽楔的永磁同步電機進行的有限元仿真對比驗證。

圖5 疊片式磁性槽楔與普通磁性槽楔電機型

2.1 氣隙磁密的分析

電機使用磁性槽楔后，會使一部分磁通流過磁性槽楔然后再經(jīng)過氣隙到達轉(zhuǎn)子，削弱齒槽效應(yīng)所帶來的氣隙不均勻的現(xiàn)象[11]。圖6為電機空載運行時氣隙磁密波形圖。對圖6中的氣隙磁密波形進行傅里葉分析，可以獲得氣隙磁密的基波以及各次諧波幅值，并通過式(11)可以得到氣隙磁密的諧波含量。氣隙磁密的諧波含量表達式為[12]

(11)

圖6 氣隙磁通密度

從圖6中可以看出，普通磁性槽楔的氣隙磁密波形在齒槽處有較大的波動，而疊片式磁性槽楔的波形較為平滑，說明疊片式磁楔槽楔進一步改善了氣隙磁導(dǎo)波形。表2為氣隙磁密波形傅里葉分析后得到的各次諧波幅值。從表2中可以看出，各基波幅值相差不多，使用普通磁性槽楔時，相對磁導(dǎo)率越大，氣隙磁密的各次諧波幅值越小，諧波含量越小，驗證式(5)中氣隙磁密諧波幅值與相對磁導(dǎo)率的1/2次方成反比。而使用疊片式磁性槽楔時，明顯減小各次諧波幅值，尤其是17、19次的齒諧波幅值，降低了氣隙磁密諧波含量。由此可以看出，疊片式磁性槽楔相較于普通磁性槽楔能夠更加優(yōu)化氣隙磁密波形。

表2 氣隙磁密各次諧波幅值及諧波含量

2.2 齒槽轉(zhuǎn)矩分析

齒槽轉(zhuǎn)矩是由定子鐵心與轉(zhuǎn)子永磁體之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，并隨轉(zhuǎn)子位置變化而周期性變化，是轉(zhuǎn)矩波動的主要來源之一[13]。轉(zhuǎn)矩波動是引起電機振動和噪聲的主要原因之一，因此，減小齒槽轉(zhuǎn)矩對于永磁同步電機的設(shè)計具有重要意義。如圖7為兩個周期的齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖。

圖7 齒槽轉(zhuǎn)矩

從圖7中可以看出，使用普通磁性槽楔時，齒槽轉(zhuǎn)矩隨著磁導(dǎo)率的增大而減小，說明磁性槽楔隨著磁導(dǎo)率的增大而能有效的減小齒槽轉(zhuǎn)矩。當使用疊片式磁性槽楔時，齒槽轉(zhuǎn)矩是普通磁性槽楔相對磁導(dǎo)率μ=8時的1/2左右，更是相對磁導(dǎo)率μ=1時的1/10左右，由此可見，疊片式磁性槽楔能夠明顯減小齒槽轉(zhuǎn)矩。

2.3 定子槽漏抗分析

電機使用磁性槽楔時，會在槽楔處形成漏磁場，對電機定子的槽漏抗有一定程度的改變，如圖8為電機定子槽漏抗圖。

圖8 定子槽漏抗

從圖8中可以看出，使用普通磁性槽楔時，電機定子槽漏抗隨著磁導(dǎo)率的增加而增大，而疊片式磁性槽楔由于其中空結(jié)構(gòu)，使磁性槽楔的漏磁場出現(xiàn)磁橋飽和效應(yīng)，降低了定子槽漏抗，使疊片式磁性槽楔的定子槽漏抗要小于相對磁導(dǎo)率為不低于3的定子槽漏抗，進而間接影響電機性能。如圖9為槽楔處的磁力線。

圖9 磁力線

2.4 電機鐵耗分析

根據(jù)鐵耗分離方法，鐵耗主要由渦流損耗和磁滯損耗組成，采用磁性槽楔時會對氣隙的磁場諧波產(chǎn)生影響，進而影響到電機的渦流損耗，如圖10為瞬態(tài)磁場下的電機鐵耗隨時間變化曲線。

圖10 電機鐵耗

從圖10中可以看出采用普通磁性槽楔時，電機鐵耗值隨磁導(dǎo)率的增加而減小，當采用疊片式磁性槽楔時，鐵耗值大幅減小，說明采用疊片式磁性槽楔可以減小電機的鐵耗問題，對于提高電機效率有所幫助。

3 結(jié) 論

通過分析磁楔的磁導(dǎo)率對氣隙磁密諧波以及定子槽漏抗的影響，得出磁導(dǎo)率越大，氣隙磁密諧波幅值越小，但是定子槽漏抗也會越大，對于疊片式磁楔，需要使用中空結(jié)構(gòu)實現(xiàn)磁橋飽和，以此減小定子槽漏抗。

對比仿真分析了疊片式磁楔和普通磁楔，發(fā)現(xiàn)疊片式磁性槽楔改善了氣隙磁密波形，降低了諧波含量，削弱了齒槽轉(zhuǎn)矩，減小了定子漏抗，同時還降低了電機鐵耗。所以，疊片式磁性槽楔更適合改善電機性能，對于大功率、開口槽的永磁同步電機而言，具有較大的參考價值。