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        一種直驅(qū)永磁電機分數(shù)槽繞組的設(shè)計與分析

        2018-08-01 00:40:48
        防爆電機 2018年4期
        關(guān)鍵詞:短距齒槽整數(shù)

        (中車永濟電機有限公司特種產(chǎn)品開發(fā)部,陜西西安 710018)

        0 引言

        隨著近年來電力電子的快速發(fā)展,其拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化,永磁電機的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越寬廣。特別是對于一些去除齒輪箱的直驅(qū)系統(tǒng),電機與負載直接相連,因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單和總損耗減少,直驅(qū)永磁電機越來越被市場看好。

        當永磁電機旋轉(zhuǎn)時,由于定子鐵心開槽導(dǎo)致主磁路中磁阻發(fā)生變化,由永磁體與定子齒間相互作用從而產(chǎn)生了齒槽轉(zhuǎn)矩[1]。齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生導(dǎo)致永磁電機的轉(zhuǎn)矩波動,使電動機運行時產(chǎn)生振動,并使電機的可控性變差。因此對于永磁電機,很有必要對減少齒槽轉(zhuǎn)矩采用有效的措施[2]。

        對于內(nèi)置式直驅(qū)永磁電機,可以通過采用極數(shù)與定子槽數(shù)配合、增大氣隙長度、定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極、氣隙磁密波形優(yōu)化等多種方法來實現(xiàn)[1]。本方案通過采用雙層短距分布式分數(shù)槽繞組,有效的削弱了齒諧波和齒槽轉(zhuǎn)矩,使反電勢波形諧波含量減少,使電機負載運行時轉(zhuǎn)矩波動達到工業(yè)使用要求。

        1 常用交流繞組

        電機定子中的交流繞組一般原則是[2]:(1)由繞組合成的磁動勢及電動勢在空間波形分布上盡量接近正弦波形;(2)其基波磁動勢和基波電動勢力求最大;(3)既要節(jié)省銅材也要把損耗控制在合理范圍內(nèi);(4)對多相繞組其各相磁動勢和電動勢要對稱,電阻和電抗要平衡。

        對于永磁電機,其電樞繞組主要是與由永磁體產(chǎn)生的主磁通相對運動而感生電動勢。通常而言,按每極每相槽數(shù)分類,可以分為整數(shù)槽和分數(shù)槽繞組;按槽內(nèi)線圈邊層數(shù)分類,有單層繞組和雙層繞組;按繞組線圈的組成形式分類,可以分為硬繞組和散繞組。

        1.1 整數(shù)槽與分數(shù)槽

        每極每相槽數(shù)為整數(shù)時為整數(shù)槽繞組,而q不為整數(shù)時就是分數(shù)槽繞組。這兩種繞組均可用槽電勢相量圖星形圖分析。分數(shù)槽繞組的基本對稱條件為:Q0/m=整數(shù)(其中Q/t、Q為定子槽數(shù)、t為極對數(shù)p與槽數(shù)Q的最大公約數(shù))。其值為偶數(shù)時,線圈可接成單層和雙層繞組,采用雙層繞組時最大并聯(lián)支路數(shù)amax為2t;其值為奇數(shù)時,一般采用雙層繞組,其最大并聯(lián)支路數(shù)為amax為t[2]。

        1.2 單層繞組與雙層繞組

        單層繞組為每槽放一個繞組的線圈邊,其中有同心式、等元件式和交叉鏈式等不同連接方式[3],繞組由線圈個數(shù)和節(jié)距相等或不等的數(shù)個線圈構(gòu)成。其優(yōu)點有槽內(nèi)無層間絕緣,槽利用率高;線圈數(shù)比雙層繞組少一半,但同時因不能做成短距繞組,從而無法改善磁場波形。

        雙層繞組每槽分為上下兩層,分別放置兩個不同線圈的直線邊。雙層繞組的結(jié)構(gòu)和尺寸均相同,連線整潔、美觀,有利于散熱和增加機械強度。同時可通過選擇短距來改善電樞磁場波形,不足之處就是絕緣材料多,嵌線麻煩。

        1.3 硬繞組與軟繞組

        散繞組由圓電磁線束包而成,其漆膜比較薄,耐沖擊力差,很容易受到損傷,但結(jié)構(gòu)簡單、易繞制、端部短、用銅少、電阻和漏抗小。與其配套的半閉口槽槽口相對較小,有利于降低齒諧波幅值、均衡氣隙磁場;硬繞組由數(shù)個獨立的線圈構(gòu)成,一般由扁銅線繞制而成,易保持一定的形狀,根據(jù)實際情況分為多層結(jié)構(gòu),其機械性能、電性能、熱性能和化學(xué)性能較散繞組均有不同程度的提高,是提高電機耐電壓脈沖應(yīng)力最好的繞組型式之一。但相對地,其端部長、用銅量多、銅耗大、電阻和漏抗大[4]。

        2 分數(shù)槽繞組

        對于直驅(qū)永磁電機,其極數(shù)較大,如果采用整數(shù)槽結(jié)構(gòu),一般按每極每相槽數(shù)q≥2設(shè)計,其定子槽數(shù)必然很大,定子沖片開槽和嵌線都很困難。通過綜合對比,本方案采用雙層短距分數(shù)槽繞組結(jié)構(gòu),分數(shù)槽繞組永磁電機不僅具有永磁同步電機特有的優(yōu)點,還可以有效的削弱齒槽諧波,減弱齒槽轉(zhuǎn)矩,減小電動勢和電樞磁動勢諧波分量幅值。其可以采用很少的槽數(shù)來實現(xiàn)與槽數(shù)很多的整數(shù)槽繞組的分布性能,同時采用分數(shù)槽在工藝上因為槽少而易于實現(xiàn)。

        因分數(shù)槽繞組含有一系列次數(shù)與基波不成整數(shù)倍的諧波,其具有較大的諧波漏抗,但其在同步電抗中占得比例很小,只需注意與基波成奇數(shù)倍的諧波。分數(shù)槽繞組不能抵消的最低次數(shù)諧波為槽數(shù)和極數(shù)的最小公倍數(shù)次諧波[2],對于本方案,其部分參數(shù)如表1所示,采用的是20極66槽結(jié)構(gòu),不能消除的最小諧波次數(shù)是660次,也既是齒諧波基波的10次諧波,而齒諧波基波以及2~9次諧波都已被抵消。另外值得注意的是分數(shù)槽繞組會產(chǎn)生幅值很高的磁動勢諧波,每極每相槽數(shù)q分母不為2的時候會產(chǎn)生次諧波。因此,選取合理的極槽配合是直驅(qū)永磁電機設(shè)計的關(guān)鍵。

        表1 直驅(qū)永磁電機部分參數(shù)

        極對數(shù)p與槽數(shù)Q的最大公約數(shù)為t=2,其由p0=p/t=10/2=5對極下的Q0=Q/t=66/2=33個槽電動勢相量組成一個完整的槽電動勢星形圖,如圖1所示,共有2個重疊的基本星形,按槽號順序列出的各槽所屬相帶見表2。

        圖1 槽電動勢相量星形圖

        表2中一相繞組所在的槽數(shù)為有規(guī)則的數(shù)列循環(huán),其數(shù)列為2111111111,由一個2和9個1組成。其值計算方式[2]為:(1)把每極每項槽數(shù)q表示為q=b+c/d,式中b為整數(shù),c/d為不可約的分數(shù);(2)一個循環(huán)數(shù)列共有d個數(shù),其中c個為大數(shù),大數(shù)為b+1,d-c個為小數(shù),小數(shù)為b。

        表2 分數(shù)槽繞組槽號與相帶(因t=2,取槽數(shù)一半)

        3 繞組參數(shù)計算及有限元分析

        針對直驅(qū)永磁電機,對采用分數(shù)槽集中繞組和不同短距系數(shù)的雙層短距分布式繞組進行了對比分析:計算了其繞組系數(shù)及各次諧波的含量;利用有限元法對比分析了永磁電機的空載線反電勢和轉(zhuǎn)矩波動;與采用斜槽結(jié)構(gòu)的整數(shù)槽設(shè)計方案進行了方案對比。

        3.1 分數(shù)槽繞組系數(shù)計算

        3.1.1 分布系數(shù)和短距系數(shù)[2]

        本方案采用分數(shù)槽繞組(q=b+c/d=N/D,其中D≠1,N和D沒有公約數(shù)),其基波和v諧波的分布系數(shù)為

        (1)

        (2)

        基波和次諧波的短距系數(shù)為

        (3)

        (4)

        式中,Z—定子槽數(shù);y1—線圈節(jié)距。

        kdp為繞組系數(shù),是分布系數(shù)kd和短距系數(shù)kp的乘積。kdpv為對應(yīng)于次諧波的繞組系數(shù)

        kdpv=kdvkpv

        (5)

        3.1.2 永磁感應(yīng)電勢繞組系數(shù)計算

        感應(yīng)電勢中的諧波對電機運行產(chǎn)生諸多不良影響,因此需要盡可能減少諧波含量和削弱諧波幅值。主要有采用短距線圈和非等元件繞組等方法[5]。雙層繞組一般通過選用不同的節(jié)距來消除5次、7次等各次諧波,從而改善電動勢和磁動勢波形。

        在定子槽數(shù)比較小時,節(jié)距按式y(tǒng)1=Z/2p選擇(y1=Z/2p為向下取整,即取比Z/2p小的最大整數(shù)),即線圈跨距接近極距,其基波繞組系數(shù)大[6]。通過表3也可看出,采用最大短距節(jié)距(即y1=3)時其基波繞組系數(shù)最大;采用分數(shù)槽集中繞組(即y1=1)時,其電樞反應(yīng)磁動勢諧波含量很高,但5、7次諧波含量最小。

        表3 采用不同節(jié)距時繞組諧波系數(shù)

        3.2 有限元分析

        為了得到永磁電機準確的性能參數(shù),需要對電機磁場進行數(shù)值計算與分析。而磁場數(shù)值方法有有限元法、有限差分法、邊界單元法等,因有限元法特別適合邊界形狀復(fù)雜、材料存在非線性等磁場問題,其應(yīng)用最為廣泛[1]。

        3.2.1 不同短距系數(shù)的分數(shù)槽方案對比

        利用有限元法對采用不同短距系數(shù)的分數(shù)槽繞組直驅(qū)永磁電機,分別從空載反電勢和轉(zhuǎn)矩波動兩個方面進行了對比分析。

        (1)空載線反電動勢

        空載反電動勢是永磁電機一個非常重要的性能參數(shù),對電機的功率因數(shù)影響很大。其不僅決定永磁電機所處是增磁還是去磁狀態(tài),并對電機的瞬態(tài)和靜態(tài)性能有很大的影響[7]。

        對于直驅(qū)永磁電機,電機采用Y接,所以3及3的倍數(shù)次諧波空載線感應(yīng)電動勢為零。采用不同節(jié)距時,其諧波含量見表4。

        圖2 采用不同節(jié)距時線反電動勢波形及諧波分布

        (2)轉(zhuǎn)矩波動

        直驅(qū)永磁電動機運行時,一個很重要的性能指標就是轉(zhuǎn)矩波動,通常轉(zhuǎn)矩波動由上下波動值對其平均值的百分數(shù)表示,其定義公式為[2]

        式中,ΔT—轉(zhuǎn)矩波動;Tmax—最大轉(zhuǎn)矩;Tmin—最小轉(zhuǎn)矩。其對比分析見表5,可以看出,當y1=1其轉(zhuǎn)矩波動最大,y1=2轉(zhuǎn)矩波動最小,但三種方式均<5%。

        圖3 采用不同節(jié)距時負載轉(zhuǎn)矩波動

        表5 采用不同節(jié)距時線反電動勢諧波含量

        3.2.2 與整數(shù)槽斜槽方案的對比

        整數(shù)槽方案與采用分數(shù)槽不同之處在于其每極每相槽數(shù)為整數(shù),為了削弱齒槽轉(zhuǎn)矩而采用了定子斜槽結(jié)構(gòu),其對比方案見表6。同時從空載氣隙磁密、空載反電勢、齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動等方面對比分析了分數(shù)槽與整數(shù)槽斜槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。

        表6 分數(shù)槽與整數(shù)槽部分方案對比

        (1)空載氣隙磁密

        直驅(qū)永磁電機需要正弦波分布的空載相反電動勢,如果氣隙磁密分布均勻,則永磁電機可以得到正弦性良好的空載相反電動勢,相反,則進一步影響電機的運行性能。

        采用整數(shù)槽時其氣隙磁密諧波含量遠高于采用分數(shù)槽繞組結(jié)構(gòu)時的諧波總含量見表7。

        圖4 空載氣隙磁密波形及諧波分布

        表7 空載氣隙磁密各次諧波幅值及百分比

        (2)空載反電勢

        對于直驅(qū)永磁電機,低速平穩(wěn)性是一個很重要的指標,而影響其性能的主要因素為永磁電機的脈動轉(zhuǎn)矩,包括紋波轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩[1]。其紋波轉(zhuǎn)矩就是由電動勢或電流非正弦引起的。因此,當電機處于空載時,對其反電勢進行了對比分析,結(jié)果見表8所示??梢钥闯?,分數(shù)槽優(yōu)于整數(shù)槽結(jié)構(gòu)。

        圖5 空載相反電勢波形及各次諧波分布

        表8 分數(shù)槽與整數(shù)槽相反電動勢諧波含量(%)

        (3)齒槽轉(zhuǎn)矩

        由圖6可知,分數(shù)槽齒槽轉(zhuǎn)矩波動最大值為18 N·m,整數(shù)槽斜槽后其波動最大值為80 N·m,相差4.5倍,可見,分數(shù)槽具有明顯的優(yōu)勢。

        圖6 齒槽轉(zhuǎn)矩波形

        (4)轉(zhuǎn)矩波動

        電機負載時,其轉(zhuǎn)矩波動如圖7所示。表9中結(jié)果顯示,采用分數(shù)槽結(jié)構(gòu)較整數(shù)槽時減少了6.67%的轉(zhuǎn)矩波動。

        圖7 負載轉(zhuǎn)矩波動

        表9 轉(zhuǎn)矩波動數(shù)值對比

        4 樣機試制

        圖8為現(xiàn)場嵌線時線圈成型圖和總裝完成后送往試驗的圖片,可以觀測出鐵心線圈整潔、緊湊。同時,隨著試驗的通過,最終驗證了本方案選擇的合理性。

        圖8 鐵心線圈及直驅(qū)永磁電機

        5 結(jié)語

        通過選取合適的分數(shù)槽雙層短距繞組,有效的削弱了永磁直驅(qū)電機的齒諧波和齒槽轉(zhuǎn)矩,降低了電動勢和電樞反應(yīng)磁動勢諧波分量幅值。通過分析采用不同短距系數(shù)分數(shù)槽繞組的優(yōu)劣,與整數(shù)槽斜槽結(jié)構(gòu)的對比,又同時從工藝角度出發(fā),驗證了直驅(qū)永磁電機極槽配合選取的合理性。

        盡管分數(shù)槽集中繞組和整數(shù)槽分布繞組應(yīng)用廣泛,但需要對應(yīng)一定的極槽配合:對于每極每相槽數(shù)為真分數(shù)(即極槽數(shù)相近配合)的時候,利于采用分數(shù)槽集中繞組;對于q為假分數(shù)的時候,需要根據(jù)實際情況對比選擇合適的方案。

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