周勝梅，趙龍濤，竇鐘森

(1.海信集團(tuán)有限公司，青島 266000；2.山東科技大學(xué)，青島 266590)

0 引 言

電機(jī)是工業(yè)的“心臟”，發(fā)展至今已有近200年。在此期間，各種類型的電機(jī)層出不窮，并朝著大型化、小型化、精密化、特種化、專用化等方向不斷發(fā)展。特別是隨著科技的發(fā)展，各種新工藝、新材料的不斷涌現(xiàn)，使得目前的電機(jī)具有損耗小、效率高的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，電機(jī)的設(shè)計(jì)理念，更加成熟，制造工藝更加精湛。

然而，電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)變化慎微。就定子槽型為例，在我國(guó)市場(chǎng)上的中小型電機(jī)不同機(jī)座號(hào)的定子槽型尺寸已沿用了數(shù)十年。目前常見的槽型有開口槽、半開口槽和半閉口槽，其中，開口槽主要是開口的平底槽與開口的圓底槽，該類槽下線方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易絕緣處理，主要用于高壓電機(jī)；半開口槽以刀形槽為典型，可嵌放絕緣處理過的成型繞組，主要用于大中型低壓電機(jī)；半閉口槽類型較多，主要包括梯形槽、圓底梯形槽、梨形槽，其中梨形槽下線與絕緣較為困難，但沖模強(qiáng)度較好，電機(jī)的效率和功率因數(shù)較高，普遍用于小型低壓電機(jī)，圖1為幾種常見的槽型。

圖1幾種常見的槽型

近幾十年，我國(guó)學(xué)者對(duì)于電機(jī)槽型的優(yōu)化研究主要有，文獻(xiàn)[1-2]中基于定子齒部和定子軛部磁壓降之和最小與空載損耗最小的優(yōu)化準(zhǔn)則，利用一維尋優(yōu)法中的黃金分割法與二次插值法分別對(duì)交流電機(jī)定子梨形槽與梯形槽進(jìn)行了優(yōu)化分析，并從計(jì)算精度與速度上對(duì)兩種算法進(jìn)行了對(duì)比分析。文獻(xiàn)[3]針對(duì)感應(yīng)電機(jī)的集膚效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種理想的轉(zhuǎn)子梯形槽。文獻(xiàn)[4]中將各種槽型分解重組，提出了采用槽型元素組合設(shè)計(jì)的感應(yīng)電機(jī)的槽型優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[5]采用時(shí)步有限元分析法，分析了梨形槽結(jié)構(gòu)參數(shù)槽口寬度、槽口高度、槽肩角、槽寬、槽高及槽半徑等對(duì)電機(jī)損耗影響的程度。

本文將一臺(tái)5 kW高速永磁同步電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，以采用矩形槽為例，主要從定子槽型尺寸的差異對(duì)電機(jī)反電勢(shì)的波形與有效值及鐵耗的影響開展研究分析。研究結(jié)果表明：定子槽型尺寸的改變可以使反電勢(shì)相差15%，鐵耗相差30%。

1 槽型尺寸的初步確定

1.1 基本計(jì)算

本文采用的是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、易于分析的矩形槽結(jié)構(gòu)。通過電機(jī)的基本計(jì)算公式，可以得出電機(jī)定子槽型的初步尺寸。對(duì)電機(jī)的一些基本參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)定，求出電機(jī)的相反電動(dòng)勢(shì)、每極磁通，得出電機(jī)的每相串聯(lián)匝數(shù)，然后求出每個(gè)槽內(nèi)的導(dǎo)體數(shù)以及所有導(dǎo)體所占的面積，進(jìn)而得到槽面積，通過下面公式進(jìn)一步求電機(jī)槽型的基本尺寸。

槽面積：

式中：∑Acu為每個(gè)槽內(nèi)導(dǎo)體占的面積；Ks為電機(jī)的槽滿率。

定子齒寬：

式中：t1為定子齒距；Bδ為氣隙磁密；KFe為鐵心疊壓系數(shù)，通常取0.92～0.95之間；Bt1為定子齒磁密，多數(shù)在1.4～16 T之間。

定子槽寬：

bs=t1-bt1

(3)

定子槽高：

1.2 電機(jī)參數(shù)

本文選用的是一臺(tái)5 kW的高速永磁同步電機(jī)，采用4極12槽的組合結(jié)構(gòu)，通過磁路計(jì)算法得出電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

通過表1可以看出，電機(jī)的定子內(nèi)徑為50 mm，定子外徑為100 mm，定子槽面積為120 mm2，可以得出定子尺寸的極限取值范圍，即4.8 mm

表1電機(jī)的主要參數(shù)

參數(shù)值參數(shù)值極數(shù)4轉(zhuǎn)子外徑D2/mm46定子槽數(shù)z12電機(jī)長(zhǎng)度l/mm45定子內(nèi)徑d1/mm50槽面積AS/mm2120定子外徑D1/mm100

圖2定子槽寬與槽高

2 定子槽尺寸優(yōu)化分析

定子槽結(jié)構(gòu)尺寸的變化會(huì)影響電機(jī)磁阻的變化，從而引起電機(jī)各部分磁密分布的變化，導(dǎo)致電機(jī)反電勢(shì)的變化，以及電機(jī)鐵損的變化。圖3為不同定子槽寬對(duì)應(yīng)的半個(gè)周期的反電勢(shì)的波形圖。由圖3可以看出，隨著電機(jī)定子槽寬的減小，即bs=6 mm附近時(shí)，反電勢(shì)的波形較差；隨著定子槽寬的遞增，當(dāng)槽寬在7～9 mm之間變化時(shí)，反電勢(shì)波形趨近于正弦變化，且電機(jī)的反電勢(shì)波形浮動(dòng)變化較小；當(dāng)定子槽寬超過9 mm時(shí)，反電勢(shì)的波形頂部出現(xiàn)波動(dòng)，并隨著定子槽寬的增大而波動(dòng)變大。

圖3半周期反電勢(shì)波形圖

定子槽型尺寸的改變會(huì)對(duì)電機(jī)的反電勢(shì)的有效值造成一定的影響。圖4為定子槽寬的改變而引起電機(jī)反電勢(shì)有效值變化的曲線圖。可以看出，在初始階段，隨著槽寬的變大，反電勢(shì)上升迅速，并達(dá)到一個(gè)最大值；過最大值點(diǎn)之后，反電勢(shì)呈逐漸下降的

圖4反電勢(shì)有效值與定子槽寬

趨勢(shì)，下降速度為平緩；當(dāng)定子槽寬超過10 mm時(shí)，反電勢(shì)降低速度增大。同時(shí)可以看出，反電勢(shì)最小值為反電勢(shì)最大值的83.4%，相差較大。

鐵耗是電機(jī)損耗的重要組成部分，直接影響電機(jī)的效率和溫升。鐵耗主要由磁滯損耗和渦流損耗組成[6]，其基本計(jì)算公式如下所示。

磁滯損耗：

式中：Kh為磁滯損耗系數(shù)；Bp為磁通密度幅值；f為電磁交變頻率；x為系數(shù)，x=1.6～2.3。

渦流損耗：

式中：Kc為渦流損耗系數(shù)。

基本鐵耗：

pFe=ph+pc

(7)

對(duì)于一般的硅鋼片，鐵耗計(jì)算公式可近似寫成：

(8)

式中：CFe為鐵心損耗系數(shù)；G為鐵心質(zhì)量。

在Ansoft軟件中進(jìn)行電機(jī)的損耗計(jì)算，其損耗曲線如圖5所示。隨著定子槽寬的變化，電機(jī)鐵耗的曲線與反電勢(shì)有效值曲線極為相似。

圖5鐵耗與定子槽寬

3 結(jié) 語

本文針對(duì)5 kW的4極12槽的高速永磁同步電機(jī)，通過上述分析計(jì)算，并在Ansoft仿真軟件中進(jìn)行仿真分析，在定子槽面積與槽滿率不變的情況下，定子槽尺寸的變化對(duì)電機(jī)性能參數(shù)的影響如下：

1)定子槽寬的變化會(huì)引起電機(jī)反電勢(shì)波形的變化，定子槽寬在極限取值范圍內(nèi)，取兩邊值時(shí)會(huì)使反電勢(shì)波動(dòng)較大；而中間值偏小部分時(shí)，反電勢(shì)波形較理想。

2)定子槽寬的變化對(duì)電機(jī)反電勢(shì)的有效值及電機(jī)的鐵耗影響曲線相似。

[1] 周同春,林丁生．交流電機(jī)定子槽形的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．中小型電機(jī)，1985，(6):10-13.

[2] 胡夢(mèng)蛟．汽車用發(fā)電機(jī)定子槽形優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．汽車電器，1991，(1):8-9.

[3] 葉劍秋．變頻調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子槽形優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．微特電機(jī)，1999，(3):30-32.

[4] 黃堅(jiān),王鴻鵠,姚鵬,等．基于槽型元素圖組合的感應(yīng)電機(jī)槽型優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算法[J]．電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39(5):12-15.

[5] 趙海森,劉曉芳,楊亞秋,等．基于時(shí)步有限元分析的超高效電機(jī)定子槽形優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(33)：115-122.

[6] 張洪亮.永磁同步電機(jī)鐵心損耗與暫態(tài)溫度場(chǎng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.