方 程 許海平 薛劭申 黃欽鵬 ,2 薛 山

（1.中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院電工研究所）北京 100190 2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

1 引言

傳統(tǒng)的低速驅(qū)動系統(tǒng)在電機(jī)與負(fù)載之間通過減速齒輪箱進(jìn)行變速傳動，齒輪箱使得整個系統(tǒng)的效率和控制精度降低、成本和維護(hù)難度增加。而直驅(qū)系統(tǒng)采用低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)直接帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動，消除了齒輪箱，使整個系統(tǒng)的性能得到極大的提升。

多相電機(jī)是指供電相數(shù)大于三的電機(jī)。自 20世紀(jì)90年代以來電動汽車、電動船舶、多電飛機(jī)和高功率工業(yè)器件等得到飛速發(fā)展[1-5]，這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)︱?qū)動電機(jī)提出了更加嚴(yán)格的要求，多相電機(jī)憑著先天的優(yōu)勢在這些應(yīng)用領(lǐng)域中得到重視，逐漸成為當(dāng)前電機(jī)領(lǐng)域研究的一個熱點(diǎn)。相比于三相電機(jī)，多相電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩脈動小、轉(zhuǎn)矩密度大、可實(shí)現(xiàn)低壓大功率及可靠性高等優(yōu)勢[6-12]，將多相和直驅(qū)結(jié)合可以進(jìn)一步提升低速直驅(qū)電機(jī)的性能并擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，具有很好的發(fā)展前景。

目前國內(nèi)外對直驅(qū)型多相永磁同步電機(jī)的研究大多仍處于探索性階段。文獻(xiàn)[13]對多相電機(jī)的諧波注入進(jìn)行了研究，證明多相電機(jī)采用三次諧波注入能產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)矩密度并同時擁有高于永磁無刷直流電機(jī)的控制性能。文獻(xiàn)[14,15]提出多相電機(jī)采用單層繞組不等距齒寬來提高電機(jī)繞組系數(shù)的方法，并對多相電機(jī)的磁動勢、數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)論述。由于此類電機(jī)的研究內(nèi)容目前并不多，因此，其設(shè)計(jì)理論仍未完善，需要進(jìn)一步的研究。

直驅(qū)型多相永磁同步電機(jī)由于相數(shù)多、極槽匹配與繞組排布多樣、中性點(diǎn)接法與供電方式多樣，使得電機(jī)磁場諧波與普通三相直驅(qū)電機(jī)或多相整數(shù)槽電機(jī)有較大差別，而電機(jī)磁場諧波的含量直接影響其各種性能，如電機(jī)損耗（定子鐵耗、繞組銅耗、轉(zhuǎn)子永磁體渦流損耗）和轉(zhuǎn)矩脈動。損耗是衡量電機(jī)效率的主要指標(biāo)，轉(zhuǎn)矩脈動是衡量電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的主要指標(biāo)，對低速直驅(qū)電機(jī)顯得尤其重要，因此，有必要在此方面進(jìn)行細(xì)致的研究。

本文首先分析了電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動、損耗與諧波磁場的關(guān)系，然后采用有限元軟件Ansoft 對目標(biāo)電機(jī)進(jìn)行建模，研究直驅(qū)型多相永磁同步電機(jī)特有因素（相數(shù)與供電方式、中性點(diǎn)接法、極槽匹配與繞組排布）對轉(zhuǎn)矩脈動和損耗的影響，最終得到一些可以指導(dǎo)直驅(qū)型多相永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)論。

2 直驅(qū)型多相永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動與損耗

2.1 轉(zhuǎn)矩脈動分析

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動包括兩部分：齒槽轉(zhuǎn)矩與磁動勢諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動。

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)繞組不通電時永磁體和定子鐵心之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是由永磁體和電樞齒之間相互作用力的切向分量的波動引起的。齒槽轉(zhuǎn)矩定義為電機(jī)不通電時的磁場能量W相對于位置角α的負(fù)導(dǎo)數(shù)，經(jīng)過分析可得齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為

式中

式中α——某一個指定的定子齒中心線和某一個 指定的永磁磁極中心線之間的夾角；

La——定子鐵心的軸向長度；

R1，R2——定子鐵心外半徑和定子軛內(nèi)半徑；

z——定子槽數(shù)；

p——極對數(shù)；

n——使nz/(2p)為整數(shù)的整數(shù)；

Gn——與定子槽形相關(guān)的參數(shù)；

Brnz/(2p)——與轉(zhuǎn)子永磁磁極相關(guān)的參數(shù)；

Br——永磁體的剩磁；

αp——永磁體的極弧系數(shù)。

在定轉(zhuǎn)子相對位置變化一個齒距的范圍內(nèi)，齒槽轉(zhuǎn)矩是周期性變化的，變化的周期數(shù)取決于電樞槽數(shù)和極數(shù)的組合，齒槽轉(zhuǎn)矩的周期數(shù)為使nz/(2p)為整數(shù)的最小整數(shù)n，因此周期數(shù)Np為極數(shù)、槽數(shù)和極數(shù)的最大公約數(shù)的比值

式中，GCD(z,2p)表示槽數(shù)z與極數(shù)2p的最大公約數(shù)。

由式（2）可知，周期數(shù)n和槽數(shù)z均與Brnz/(2p)成反比，即n越大、z越大，對應(yīng)的Brnz/(2p)就越小，齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值就越小。

磁動勢諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動是當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)氣隙中定、轉(zhuǎn)子兩個諧波磁場具有相同的極對數(shù)，并且轉(zhuǎn)速不同時所產(chǎn)生的。定子磁場的諧波含量與定子電流諧波含量、定子繞組排布等因素有關(guān)，可以通過對電機(jī)繞組磁動勢的分析得到。對于繞組對稱分布的m相電機(jī)，其m相繞組合成磁動勢滿足以下結(jié)論。

當(dāng)相繞組由一個線圈組組成時：

如果線圈為整距，m相繞組的合成磁動勢諧波極對數(shù)ν取大于等于1 的全部奇數(shù)，同時滿足表1。

如果線圈為短距，m相繞組的合成磁動勢諧波極對數(shù)ν取大于等于1 的全部整數(shù)，同時滿足表1。

當(dāng)相繞組由兩個相差180°的線圈組組成時：

m相繞組的合成磁動勢諧波極對數(shù)ν可取大于等于1 的全部奇數(shù)，同時滿足表1。

表1 ν、μ的取值與m相繞組合成磁動勢的關(guān)系Tab.1 Relationship between the value ofν,μand MMF

表1 中，m為相數(shù)，N為單元電機(jī)的每相串聯(lián)匝數(shù)，Iμ為單元電機(jī)的相電流幅值，kdpν為繞組系數(shù)，φ是沿氣隙圓周的空間位置角度，ω是基波電流角頻率，ν為單元電機(jī)m相繞組合成磁動勢的諧波極對數(shù)，μ為單元電機(jī)繞組電流的諧波次數(shù)，k和l為所有整數(shù)，γ為大于等于1 的整數(shù)，是考慮電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽繞組后引入的常系數(shù)，如果電機(jī)采用整數(shù)槽繞組，則γ=1。

轉(zhuǎn)子磁場的諧波含量是由永磁體的形狀和充磁等因素決定的，采用平行或徑向充磁的瓦片形永磁體其氣隙磁場波形接近平頂波，因此具有極對數(shù)為基波極對數(shù)1、3、5、7、9，…倍的諧波磁場，其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度相同。

磁動勢諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動幅值由定轉(zhuǎn)子兩個諧波磁場的幅值共同決定。

2.2 損耗分析

電機(jī)損耗主要包括定子鐵耗、繞組銅耗及轉(zhuǎn)子永磁體的渦流損耗。按照交流電機(jī)設(shè)計(jì)理論，電機(jī)的定子鐵耗可由式（4）計(jì)算。

式中B——定子鐵心實(shí)際磁通密度；

f—— 定子鐵心實(shí)際磁通頻率；

cFe—— 經(jīng)驗(yàn)校正系數(shù)；

k0—— 鐵心單位重量損耗，是在定子鐵心磁通密度和磁通交變頻率分別為B0和f0時的單位重量損耗；

α′—— 頻率折算系數(shù)；

GFe—— 鐵心的重量。

導(dǎo)電材料中的磁場發(fā)生變化時，在其中會感應(yīng)電流，即渦流，它將引起渦流損耗。對于永磁電機(jī)來說，主要考慮的是轉(zhuǎn)子永磁體的渦流損耗，在時域內(nèi)，磁場方程為

式中A——磁矢位；

Js——源電流密度；

V——電動勢標(biāo)量；

μ——相對磁導(dǎo)率；

σ——材料電導(dǎo)率；

Hc——永磁體的矯頑力。

根據(jù)安培定律，總電流密度為

渦流損耗為

式中

Jz——電流密度的z方向分量；

σ——所求區(qū)域內(nèi)的材料電導(dǎo)率。

繞組銅耗的計(jì)算相對簡單，如式（8）所示。

但是，當(dāng)電機(jī)內(nèi)含有諧波磁場時，要考慮諧波磁場的頻率對繞組的趨膚效應(yīng)，受到趨膚效應(yīng)的影響，導(dǎo)體的有效截面積變小，繞組的交流電阻必然變大，其值是直流電阻乘以趨膚效應(yīng)系數(shù)，最終使繞組的銅耗增大，電機(jī)效率降低。通常采用多股導(dǎo)線并繞的方式來盡量削弱趨膚效應(yīng)。

由以上分析可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動和損耗與電機(jī)內(nèi)的諧波磁場密切相關(guān)。對于直驅(qū)型多相永磁同步電機(jī)，其與普通三相電機(jī)的顯著區(qū)別是：相數(shù)多，獨(dú)特的PWM 控制方式，多種中性點(diǎn)接法，分?jǐn)?shù)槽繞組設(shè)計(jì)（獨(dú)特的極槽匹配與繞組排布）等，這些特點(diǎn)使得直驅(qū)型多相永磁同步電機(jī)氣隙磁場諧波成分復(fù)雜，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動及損耗具有一定的特殊性。

3 電壓源和相數(shù)對轉(zhuǎn)矩脈動及損耗的影響

本文以26 極30 槽十五相和三相電機(jī)為例，研究電壓源和相數(shù)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動及損耗的影響。兩電機(jī)的定轉(zhuǎn)子及槽形尺寸完全相同，相關(guān)參數(shù)見表2。圖1是兩電機(jī)的繞組分布圖。

表2 26 極30 槽十五相和三相電機(jī)的基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of 15 phase and 3phase machines with 26 poles and 30slots

圖1 26 極30 槽十五相和三相電機(jī)繞組分布圖Fig.1 Winding configurations of 15 and 3 phase machines with 26 poles and 30slots

在實(shí)際運(yùn)行中，直驅(qū)型多相永磁同步電機(jī)定子繞組上所加的電壓一般為PWM 波。本文對比研究目前多相電機(jī)比較常用的最大矢量幅值SVPWM 電壓與純正弦電壓兩種供電方式下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動與損耗。圖2是兩種供電方式下的電機(jī)繞組相電壓波形（載波頻率5kHz）。

圖2 純正弦電壓與最大矢量幅值SVPWM 電壓波形Fig.2 Sine and SVPWM voltage waveform

兩電機(jī)方案采用正弦電壓供電時，電機(jī)繞組電流將只含有基波成分，而采用最大矢量幅值SVPWM 電壓供電時，由于其除了存在集中在載波頻率及載波頻率整數(shù)倍附近的高次諧波，還有部分低次諧波，這使得繞組電流中含有較多的低次諧波，主要是1、5、7、11、13 次，低次諧波電流使電機(jī)氣隙中的諧波磁場含量明顯增加。根據(jù)表1 和圖1，可以得到十五相和三電機(jī)的繞組磁動勢諧波含量與定子電流諧波含量的關(guān)系，見表3 和表4。

表3 十五相電機(jī)磁動勢諧波含量與電流諧波含量關(guān)系Tab.3 Relationship between the MMF and current harmonic of 15 phase machine

表4 三相電機(jī)磁動勢諧波含量與電流諧波含量關(guān)系Tab.4 Relationship between the MMF and current harmonics of 3 phase machine

3.1 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動

圖3和4 給出了十五相和三相電機(jī)分別采用以上兩種電壓源供電時的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動。分析可知：

（1）對于十五相電機(jī)雖然不同的供電方式，電機(jī)繞組電流及其產(chǎn)生的諧波磁場差距很大，但是轉(zhuǎn)矩的脈動情況基本相同，原因是引起轉(zhuǎn)矩脈動的齒槽轉(zhuǎn)矩由電機(jī)的極槽參數(shù)決定，與電機(jī)供電方式無關(guān)，因此兩種供電方式下的齒槽轉(zhuǎn)矩相同。而磁動勢諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動是由氣隙中定、轉(zhuǎn)子兩個極對數(shù)相同、轉(zhuǎn)速不同的諧波磁場相互作用產(chǎn)生。本文的電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁塊采用表貼瓦片形平行充磁，轉(zhuǎn)子基波磁場為13 對極，同時含有39、65、91、117…對極的諧波磁場，轉(zhuǎn)速都是轉(zhuǎn)子的同步速，而由表3 可以看出，μ1次諧波電流將產(chǎn)生極對數(shù)為μ1p0和μ2p0的諧波磁動勢（p0為基波極對數(shù)，μ1±μ2=k′m），極對數(shù)為μ1p0的諧波磁動勢轉(zhuǎn)速為ω與轉(zhuǎn)子同步速相同，其與轉(zhuǎn)子相應(yīng)極對數(shù)的諧波磁場相互作用，產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，表現(xiàn)為對基波恒定轉(zhuǎn)矩的提高，即表3 中有灰底的諧波磁動勢。極對數(shù)為μ2p0的諧波磁動勢轉(zhuǎn)速為μ1ω/μ2與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不同，其與轉(zhuǎn)子相應(yīng)極對數(shù)的諧波磁場相互作用，也產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩，表現(xiàn)為在基波恒定轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上疊加一定的脈動轉(zhuǎn)矩，即表3 中有黑底的諧波磁動勢。由于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的定子繞組磁動勢或是低次諧波電流產(chǎn)生的極對數(shù)很高的諧波磁動勢，或是高次諧波電流產(chǎn)生的極對數(shù)較低的磁動勢，因此這些磁動勢本身幅值都很小，同時與這些磁動勢相作用的轉(zhuǎn)子磁動勢也都是極對數(shù)較高的諧波成分，幅值較小，因此磁動勢引起的轉(zhuǎn)矩脈動幾乎為0，即十五相電機(jī)兩種供電方式下電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動基本相同。

（2）對于三相電機(jī)，兩種供電方式的齒槽轉(zhuǎn)矩也是相同的，但是不同的繞組電流諧波產(chǎn)生的諧波磁動勢極對數(shù)都相同，見表4，所有的電流諧波都要產(chǎn)生13 對極的諧波磁動勢，且與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不同，因此這些諧波磁場與轉(zhuǎn)子的基波磁場相互作用將會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，又由于轉(zhuǎn)子基波磁場的磁動勢幅值很大，同時這些定子繞組諧波磁動勢的幅值也相對較高，所以產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動比較大。

圖3 正弦電壓供電時十五相與三相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動Fig.3 Torque ripple of 15 and 3 phase machines when sine voltage power supply

圖4 最大矢量幅值SVPWM 電壓供電時十五相與 三相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動Fig.4 Torque ripple of 15 and 3 phase machines when SVPWM voltage power supply

3.2 電機(jī)的損耗

圖5～圖7分別給出了以上兩種電壓源供電時的電機(jī)定子鐵耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗及繞組銅耗。分析可知：

（1）最大矢量幅值SVPWM 電壓供電時，電流含有較多低次諧波，磁場諧波含量也遠(yuǎn)大于正弦電壓供電的情況，所以各部分損耗都較大。

（2）從三種損耗受諧波的影響程度可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子渦流損耗是最敏感的，氣隙磁場的變化，對其影響是顯著的，而轉(zhuǎn)子的渦流損耗會引起轉(zhuǎn)子永磁體的發(fā)熱，輕微時，永磁體的磁性減弱，嚴(yán)重時，會引起永磁體的永久失磁。因此，采用不同的供電方式時，一定要盡量減少電源的諧波含量。

（3）通過比較十五相與三相電機(jī)，可以看出，隨著相數(shù)的增加，氣隙磁場的諧波含量被有效的抑制，這使得多相電機(jī)的損耗更小些。當(dāng)電機(jī)定子繞組電流諧波含量增加時，氣隙中的諧波磁場含量增加，電機(jī)各部分損耗均有不同程度的增加，三相電機(jī)各部分損耗脈動越來越大，而多相電機(jī)則較平穩(wěn)。

圖5 正弦電壓和最大矢量幅值SVPWM 電壓供電時 的電機(jī)定子鐵耗Fig.5 Stator iron losses of 15 and 3 phase machines when sine and SVPWM voltage power supply

圖6 正弦電壓及最大矢量幅值SVPWM 電壓供電時的 電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體渦流損耗Fig.6 Rotor eddy current losses of 15 and 3 phase machines when sine and SVPWM voltage power supply

圖7 正弦電壓及最大矢量幅值SVPWM 電壓供電時的電機(jī)繞組銅耗Fig.7 Copper losses of 15 and 3 phase machines when sine and SVPWM voltage power supply

4 中性點(diǎn)接法對轉(zhuǎn)矩脈動及損耗的影響

對于多相電機(jī)，當(dāng)其相數(shù)足夠多時，中性點(diǎn)就可以有多種接法，但每種接法電機(jī)磁場的諧波含量是不同的，電機(jī)的性能也有所差異。仍以上面的十五相電機(jī)為例，按Y 聯(lián)結(jié)對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要有3種中性點(diǎn)接法，如圖8所示。顯然當(dāng)十五相共用一個中性點(diǎn)時，電機(jī)中1、3、5、7、9、11 次諧波電流均會存在。當(dāng)十五相采用3 個中性點(diǎn)時，相當(dāng)于 3 組五相對稱繞組，電流中5 的倍數(shù)次諧波被消掉，1、3、7、9、11 次諧波電流會存在。而當(dāng)十五相采用5 個中性點(diǎn)時，相當(dāng)于5 組3 相對稱繞組，電流中3 的倍數(shù)次諧波被消掉，1、5、7、11 次諧波會存在。

圖8 十五相電機(jī)3 種中性點(diǎn)接法Fig.8 Three kinds of neutral point connection modes of 15 phase machine

4.1 電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動

圖9給出了正弦電壓供電下，三種中性點(diǎn)接法對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動，雖然不同的中性點(diǎn)接法導(dǎo)致定子繞組電流與氣隙磁場的諧波含量不同，但是正如前面所分析的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的定子繞組磁動勢是低次諧波電流（次數(shù)為1、3、5、7、9、11）產(chǎn)生的極對數(shù)很高的諧波磁動勢，這些高次諧波磁動勢幅值很小，同時極對數(shù)較高的轉(zhuǎn)子諧波磁動勢幅值也很小，因此兩者作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動可以忽略，不同的中性點(diǎn)接法，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動情況基本相同。

圖9 十五相電機(jī)三種中性點(diǎn)接法時的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動Fig.9 Torque ripple of 15 phase machine when using three kinds of neutral point connection modes

4.2 電機(jī)的損耗

圖10給出了正弦電壓供電下，三種中性點(diǎn)接法的電機(jī)定子鐵耗、轉(zhuǎn)子永磁體渦流損耗及繞組銅耗。

圖10 十五相電機(jī)三種中性點(diǎn)接法時的電機(jī)定子鐵耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗及繞組銅耗Fig.10 Stator iron losses,rotor eddy current losses and copper losses of 15 phase machine when using three kinds of neutral point connection modes

可以看出，由于對稱十五相1 個中性點(diǎn)接法與對稱十五相3 個中性點(diǎn)接法的繞組電流諧波含量較接近，因此其氣隙磁場諧波含量及幅值較接近，電機(jī)的各部分損耗基本相同。采用對稱十五相5 個中性點(diǎn)接法時，繞組電流中3 的倍數(shù)次諧波被消除，相應(yīng)的其產(chǎn)生的諧波磁場也被消除，電機(jī)的各部分損耗均有明顯的減小，電機(jī)的性能會有所提高。

對于多相電，采用不同的中性點(diǎn)接法，會對電機(jī)的性能造成一定的影響，尤其是電機(jī)的損耗，對于十五相電機(jī)建議采用對稱十五相5 個中性點(diǎn)接法。

5 極槽匹配與繞組排布對轉(zhuǎn)矩脈動及損耗的影響

圖11是十五相電機(jī)3 種極槽配合的電機(jī)模型及繞組分布圖。

圖11 十五相電機(jī)三種極槽配合方案Fig.11 Three kinds of pole slot matches of 15 phase machine

三方案均采用對稱十五相5 個中性點(diǎn)接法，三方案的定子外徑、內(nèi)徑、鐵心長度完全相同，均采用節(jié)距是1 的繞組形式。采用正弦電壓供電時，三方案繞組電流只含有基波成分，根據(jù)表1 和圖11，可得三方案的繞組磁動勢諧波含量與基波電流的關(guān)系見表5。

表5 三種極槽方案的定子磁動勢諧波與基波電流關(guān)系Tab.5 Relations between the harmonic MMF and fundamental current of 15 phase machine with three kinds of pole slot matches

5.1 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動

圖12給出了以上三種極槽配合方案的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動。三方案的電流只含有基波，所以磁動勢諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動幾乎為零，而隨著電機(jī)極槽數(shù)的增加，引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的齒槽轉(zhuǎn)矩頻率升高，幅值減小，因此，可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動越來越小。

圖12 十五相電機(jī)三種極槽配合方案的轉(zhuǎn)矩脈動Fig.12 Torque ripple of 15 phase machine with three kinds of pole slot matches

5.2 電機(jī)的損耗

圖13 十五相電機(jī)三種極槽配合方案的定子鐵耗、 轉(zhuǎn)子渦流損耗及繞組銅耗Fig.13 Stator iron losses,rotor eddy current losses and copper losses of 15 phase machine with three kinds of pole slot matches

圖13給出了以上三方案的電機(jī)定子鐵耗、轉(zhuǎn)子永磁體渦流損耗及繞組銅耗。因?yàn)楫a(chǎn)生定子鐵耗的 磁場，主要是主極磁場，隨著極數(shù)的增加，主極磁場的頻率提高，所以可以看出鐵耗是逐漸增加，52極60 槽方案最大。而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子永磁體渦流損耗的磁場主要是諧波磁場，隨著極數(shù)的增加，電機(jī)諧波磁場的極對數(shù)逐漸增加，幅值逐漸減小，因此永磁體渦流損耗是逐漸減小的。由于隨著極槽數(shù)的增加，電機(jī)定子齒和軛部的磁通密度逐漸降低，為了保證以上三方案的電機(jī)定子各部分磁通密度相同，極槽數(shù)多的方案，定子槽越深越寬，可采用線徑更大的導(dǎo)線，繞組電阻也就有所下降，因此可以看出26 極30 槽方案的繞組銅耗最大，其他兩方案較接近。

6 結(jié)論

本文著重分析了電壓源和相數(shù)、中性點(diǎn)接法、極槽匹配與繞組排布對直驅(qū)型多相永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動與損耗的影響，得到如下結(jié)論：

（1）比較了十五相電機(jī)與三相電機(jī)在不同供電方式下的轉(zhuǎn)矩脈動和損耗。證明，由于電機(jī)相數(shù)的增加，減少了氣隙磁場的諧波含量，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動得到很好的抑制，電機(jī)的各部分損耗也有不同程度的降低。當(dāng)定子繞組電流諧波含量增加時，電機(jī)氣隙中的諧波磁場含量增加，三相電機(jī)的各部分損耗脈動越來越大，而多相電機(jī)則較平穩(wěn)。

（2）比較了十五相電機(jī)三種中性點(diǎn)接法下的轉(zhuǎn)矩脈動和損耗。證明，中性點(diǎn)的不同接法，對多相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動沒有影響，但對電機(jī)的損耗會造成一定的影響，由于電機(jī)的3 次及3 的倍數(shù)次諧波電流對電機(jī)的損耗影響最嚴(yán)重，因此對于十五相電機(jī)建議采用對稱十五相5 個中性點(diǎn)接法，消除3 次及3 的倍數(shù)次諧波電流。

（3）比較了十五相電機(jī)不同極槽方案下的轉(zhuǎn)矩脈動和損耗。證明，隨著電機(jī)極槽數(shù)的增加，引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的齒槽轉(zhuǎn)矩頻率升高，幅值減小，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動越來越小。隨著電機(jī)極數(shù)的增加，主極磁場的頻率提高，定子鐵耗逐漸增加。隨著極數(shù)的增加，定子繞組諧波磁動勢的極對數(shù)逐漸增加，幅值逐漸減小，轉(zhuǎn)子永磁體的渦流損耗逐漸減小。

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