孫建龍，李進才, 胡 欣，趙朝會

(上海電機學院 電氣學院， 上海 200240)

槽形對永磁無刷直流電動機性能的影響

孫建龍，李進才, 胡 欣，趙朝會

(上海電機學院 電氣學院， 上海 200240)

以一臺0.55kW的永磁無刷直流電動機為例，利用RMxprt磁路計算軟件對比研究了不同定子槽形對無刷直流電動機槽滿率、效率以及起動性能的影響。結(jié)果表明,圓形導線時，梨形槽的槽利用率、電機效率及起動性能均優(yōu)于梯形槽。

定子槽形; 槽滿率; 效率； 起動性能

永磁無刷直流電動機(Brushless Direct Current Machine, BLDCM)沒有勵磁繞組和勵磁裝置，不消耗勵磁功率，結(jié)構(gòu)上用電子換向裝置替代直流電動機的換向器；它既具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便的優(yōu)點，又具有直流電動機起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好等優(yōu)點。同時，電力電子技術(shù)和永磁材料的快速發(fā)展也促進永磁BLDCM迅速發(fā)展，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)各異的永磁BLDCM。近些年來，學者們圍繞永磁BLDCM進行了深入細致地研究。文獻[1]中采用MATLAB計算、分析了徑向充磁BLDCM齒槽傾斜角度對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。文獻[2]中根據(jù)解析表達式討論了定子槽數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，并分析了定子齒開槽對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。文獻[3]中分析了永磁BLDCM定子槽口寬度對定位力矩的影響。文獻[4]中分析了梨形槽和矩形槽兩種槽形對海浪用永磁直線同步發(fā)電機的影響，并通過仿真計算確定了開槽結(jié)構(gòu)，使發(fā)動機齒槽力達到最小。文獻[5]中利用有限元軟件ANSYS分析、計算了橫向磁通電動機定子極靴在不同形狀與尺寸下的漏磁系數(shù),以及定子槽部在保持恒定截面積時的最優(yōu)形狀。文獻[6]中分析了槽口寬度、槽口高度、槽肩角、槽寬、槽高及槽半徑等對電動機損耗的影響程度，并提出了基于時步有限元法的定子槽形優(yōu)化設(shè)計方法。文獻[7-8]中分析了定子斜槽及斜槽度對永磁同步電動機性能的影響。

槽形的選擇對電動機性能的影響很大，然而現(xiàn)有的文獻都只是對梨形槽或其他某種特定槽的槽口、槽寬等某一方面或幾方面進行了優(yōu)化設(shè)計，不同種類定子的槽型對永磁BLDCM性能的影響，還未見文獻報道。本文以一臺0.55kW永磁BLDCM為模型，在保證定子槽面積和槽深基本不變的情況下，借助于ANSYS公司的RMxprt軟件分析了不同種類定子槽形對BLDCM槽滿率、效率以及起動性能的影響。

1 電動機模型及定子槽形參數(shù)

電動機的幾何模型如圖1所示，定子采用斜槽結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子采用表貼式徑向充磁結(jié)構(gòu)。

電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，其中，Di為定子內(nèi)徑，Do為定子外徑，Z為槽數(shù)，L為電樞長度，hm為永磁體充磁方向厚度，bm為永磁體寬度，Ro為轉(zhuǎn)子外徑。

圖1 徑向結(jié)構(gòu)永磁無刷直流電動機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of radial structure brushless DC motor

表1 電動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2給出了5種不同的槽形結(jié)構(gòu)。其中，圖2(a)為梨形槽；圖2(b)為帶有倒角的梨形槽；圖2(c)為梯形槽；圖2(d)和(e)為帶有倒角的梯形槽；圖2(e)是在圖2(d)的基礎(chǔ)上對槽底進行了倒角處理，以保護嵌入的導線；hs0為槽口高；hs1為槽肩高；hs2為槽形直線高；bs0為槽口寬；bs1為槽肩寬；bs2為槽底寬；Rs為倒角半徑。

各槽形的尺寸如表2所示。

圖2 5種定子槽形Fig.2 Five kinds of stator slot

2 不同槽形對永磁BLDCM的影響

一般永磁BLDCM的定子有3種槽形，分別為半閉口槽、半開口槽、開口槽。梨形槽和梯形槽屬于半閉口槽，主要用于低壓小型電動機中，這是由于它們通常采用由圓導線繞成的散嵌繞組的緣故；半開口槽主要應(yīng)用于低壓中型電動機中，此時繞組為分開的成型繞組；開口槽主要應(yīng)用于中型高壓電動機中。本文中的電動機模型為微型電動機，在此主要研究梨形槽和梯形槽對電動機的影響。

表2 槽形尺寸

2.1對槽滿率的影響

槽滿率是指線圈放入槽內(nèi)后占用槽內(nèi)空間的比例，是導線截面積占槽有效面積的百分比，即[9]

(1)

式中，Ni為導線并繞根數(shù)；Ns為線圈匝數(shù)；d為導線直徑；Aef為槽有效面積。

槽滿率的計算公式有很多種，本文給出梨形槽和梯形槽的計算公式，如表3所示。

表3 槽滿率計算公式

注：R為圓底槽半徑，mm；WL為槽襯寬度，mm；Ci1為槽襯絕緣總厚=復合絕緣厚度(0.2～0.25mm)+薄膜厚度(0.05～0.08mm)；Ci2為復合絕緣厚度，mm；Wc=0.2mm，為槽口蓋條寬度；Wt=0.2mm，為層間墊條寬度；h=1.5～2.0mm，為梯形槽楔厚度；Ni1為導線并股數(shù)；d01為帶漆膜導線直徑，mm；Ns1為線圈匝數(shù)

在保證槽面積基本不變的情況下，利用RMxprt軟件計算了不同槽形的槽滿率，如表4所示。由表可見：① 對于圓形導線，(a)、(b)兩種槽形的槽利用率較(c)、(d)、(e)槽形的利用率高。② 梯形槽中，(c)槽形的槽利用率最低，(d)槽形的利用率最高；倒角不利于槽利用率的提高，但有利于對導線的保護。③ 雖然不帶倒角的平底槽((d)槽形)的槽滿率還可以被接受，但實際上人工嵌線并不滿意；由于槽底2個角的空間不能被充分利用，且這種槽形容易對導線造成傷害，故采用平底槽時，應(yīng)采取相應(yīng)措施保護導線。

2.2對電動機損耗和效率的影響

文獻[10]中分析了轉(zhuǎn)子的槽形結(jié)構(gòu)對電動機損耗的影響，并對其進行了優(yōu)化。定子的槽口寬度、槽寬尺寸、槽高等對電動機性能的影響很大[11]。槽口越寬，磁導諧波對附加損耗的影響越大；槽寬尺寸越大，則齒部寬度越小，從而導致磁路飽和程度和損耗增加；槽高尺寸越大，則軛部磁路面越小，磁路易飽和，損耗增加；槽半徑尺寸越大，則軛部磁路面積減小，從而導致磁路飽和程度和損耗增加。梨形槽和梯形槽最大的區(qū)別就是梨形槽的底部是圓底的，梯形槽的底部是平底的，這樣在相同的槽面積和槽寬下，梯形槽的定子軛部磁密易飽和，從而使鐵芯損耗增加。

表4 不同定子槽形的面積和槽滿率

效率是電動機的一個重要性能指標，其高低取決于電動機運行時所產(chǎn)生的損耗，損耗越大，效率就越低。電動機的效率[12]為

(2)

式中,PN為額定負載時的輸入功率；∑P為電動機在額定負載時所有負載之和。

在保證槽面積基本不變的情況下，本文利用RMpxrt軟件計算了不同槽形的損耗和效率，如表5所示。由表可見：① 槽形的變化主要影響鐵芯損耗的變化，這是由于槽形的變化會影響磁密的變化，從而導致鐵芯損耗變化。② 梨形槽電動機的損耗相對于梯形槽的損耗低，較梯形槽的效率要高。③ 在梯形槽中，(e)槽形較(d)槽形電動機的效率高，(c)槽形較(e)槽形的效率高，這是由于加了倒角；由此可見，帶有倒角的槽形，其電動機的效率較高，但帶倒角的槽形也會增加電動機制造的難度，故應(yīng)予綜合考慮。

表5 不同定子槽形電動機的損耗和效率

2.3對電動機起動性能的影響

起動轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩是衡量電動機啟動性能的重要指標[13]。起動轉(zhuǎn)矩是電動機起動瞬間的電磁轉(zhuǎn)矩，其大小等于電動機堵轉(zhuǎn)時負載的靜摩擦力矩，即起動轉(zhuǎn)矩等于堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。適當增大起動轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩可以改善電動機的起動性能，使電動機起動更加迅速，轉(zhuǎn)動更加自如[14]。但兩者并非越大越好，起動轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩越大，電動機的起動電流將大幅增加，從而對電網(wǎng)造成很大的沖擊，故需要根據(jù)實際情況選擇合適的數(shù)值，保留一定的裕度。

當電動機起動時，起動電流很大，使其定子的磁路高度飽和，從而影響電動機的起動性能。磁路的飽和程度與定子槽形有很大關(guān)系：槽口大者，其磁路飽和程度?。积X部和軛部面積大者，磁路的飽和程度小。

表6為不同槽形電動機的起動轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。由表可見，(a)、(b)槽形的起動轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要比(c)、(d)、(e)槽形的要大，這表明梨形槽電動機帶負載起動的性能較梯形槽電動機帶負載起動的性能要好；同時，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩在一定程度上也反映了電動機的過載能力。因此，梨形槽電動機的起動性能和過載能力在一定程度上要優(yōu)于梯形槽電動機。

表6 不同定子槽形電動機的起動轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

3 結(jié) 論

通過以一臺0.55kW的永磁BLDCM為模型，在圓導線情況下，利用ANSYS公司中的磁路計算RMxprt軟件對比分析了不同定子槽形對電動機槽滿率、效率和起動性能的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 由于梯形槽軛部的磁通密度相對于梨形槽易飽和，使得其電動機損耗較梨形槽電動機大，故梨形槽電動機的效率相對于梯形槽電動機要高；磁通密度容易在死角處飽和，倒角可以解決這一問題，故當梯形槽帶有倒角時，電動機的效率會有所提高。

(2) 由于梨形槽槽底是圓底的，在圓導線情況下，更能充分利用槽的空間，使得槽滿率較梯形槽高，故就圓形導線而言，梨形槽的槽利用率要比梯形槽高。

(3) 梨形槽電動機的起動性能和過載能力要優(yōu)于梯形槽電動機。

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Influence of Stator Slot on Performance of Permanent Magnet Brushless DC Motors

SUNJianlong，LIJincai，HUXin，ZHAOChaohui

(School of Electrical Engineering， Shanghai Dianji University, Shanghai 200240， China)

Taking a 0.55kW permanent magnet brushless DC motor as an example, the influence of different stator slots on slot fill factor, efficiency, starting performance was analyzed using ANSYS’s magnetic circuit calculation software named RMxprt.It is found that, for round wire, the slot fill factor, efficiency, starting performance of peariform slot are all better than trapezoidal slot’s.

stator slot; slot fill factor; efficiency; starting performance

2095-0020(2013)06 -0354-05

TM 33

A

2013-06-26

孫建龍(1988-)，男，碩士生，主要研究方向為電機本體設(shè)計，E-mail：1073088998@qq.com

趙朝會(1963-)，男，教授，博士，專業(yè)方向為電力電子及電力傳動，E-mail：zhaoch@sdju.edu.cn