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        次諧波降低對(duì)分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗的影響

        2018-09-28 06:16:32驕,吳
        微特電機(jī) 2018年9期
        關(guān)鍵詞:磁動(dòng)勢(shì)鐵耗渦流損耗

        宋 驕,吳 曉

        (南通大學(xué),南通 226019)

        0 引 言

        分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)具有繞組端部短的優(yōu)點(diǎn),可以有效地減小電機(jī)的銅耗、銅重和端部效應(yīng)[1-2],而且分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)較多的極對(duì)數(shù)可以減小定轉(zhuǎn)子軛部的厚度,有利于減輕軛部的鐵心質(zhì)量[3]。此外,分?jǐn)?shù)槽集中繞組還具有功率密度大、效率高、槽滿率大、定位轉(zhuǎn)矩小、容錯(cuò)性能好和弱磁能力大等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。但是,值得注意的是分?jǐn)?shù)槽集中繞組的繞組磁動(dòng)勢(shì)含有非常多的諧波,這些諧波中與極對(duì)數(shù)相同的諧波能夠與永磁體磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,稱為工作諧波。其它的諧波尤其是低次諧波和幅值較大的齒諧波會(huì)引起局部的鐵飽和、渦流損耗、振動(dòng)噪聲等問(wèn)題[7-9],從而使得電機(jī)的性能變差,制約其進(jìn)一步發(fā)展。因此,對(duì)分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)諧波的研究已經(jīng)成為了近年來(lái)一個(gè)重要的研究方向。文獻(xiàn)[3]在定子軛部加磁障來(lái)降低繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波含量,但是增加了電機(jī)加工的難度。文獻(xiàn)[10]以一臺(tái)20槽22極的五相分?jǐn)?shù)槽集中繞組表貼式永磁電機(jī)為例進(jìn)行分析,在保持電流有效值不變的前提下,以獲得最大平均轉(zhuǎn)矩為目標(biāo),采用解析法確定諧波電流分量,并通過(guò)有限元法得到驗(yàn)證。文獻(xiàn)[11]建立了直驅(qū)型多相永磁同步電機(jī)定子繞組磁動(dòng)勢(shì)數(shù)學(xué)分析模型,給出了詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程,同時(shí)研究了電機(jī)繞組電流和磁動(dòng)勢(shì)的影響因素包括:相數(shù)、供電方式、中性點(diǎn)接法、極槽匹配與繞組分布。文獻(xiàn)[12-13]通過(guò)增加繞組的相數(shù)來(lái)降低繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波,但是該種方法不具備通用性。

        本文基于三相12槽10極的分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī),提出了一種新型的繞組結(jié)構(gòu)來(lái)降低定子繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波,從而降低轉(zhuǎn)子損耗。這種方法具有一定的通用性和可行性。此外,在不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下,諧波對(duì)轉(zhuǎn)子損耗的影響程度不同,所以,本文將該新型的繞組結(jié)構(gòu)應(yīng)用于表貼式和表嵌式兩種不同的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行損耗的分析與研究。

        1 新型繞組結(jié)構(gòu)

        (a) 常規(guī)雙層繞組

        (b) 新型雙三相繞組

        (a)星形連接

        (b)星-三角連接

        (1)

        實(shí)際加工中,其新型繞組連接方式如圖3所示。

        圖3 新型繞組連接圖

        每相的2個(gè)線圈產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì):

        (2)

        (3)

        式中:Nc1和Nc2分別為A1相和A2相的匝數(shù);Im1和Im2為A1相和A2相的最大電流。

        通過(guò)改變2套繞組之間的相位角,可以削弱磁動(dòng)勢(shì)諧波的次諧波分量,從而降低電機(jī)的損耗。

        2 定子繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波

        定子電樞繞組通入電流會(huì)在氣隙中產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)。設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,在Maxwell軟件中進(jìn)行了定子繞組磁動(dòng)勢(shì)仿真驗(yàn)證。圖4為傳統(tǒng)三相12槽10極雙層繞組與采用星-三角形繞組連接的磁動(dòng)勢(shì)諧波對(duì)比圖。

        圖4 傳統(tǒng)與新型結(jié)構(gòu)12槽/10極電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)諧波對(duì)比圖

        由圖4可見,5次諧波為該電機(jī)的工作波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量,7次和17次諧波為齒諧波,其由固有的定轉(zhuǎn)子極槽配比產(chǎn)生[14]。齒諧波是產(chǎn)生永磁體渦流損耗的主要次諧波[15],其計(jì)算公式如下:

        Z=Q±p

        (4)

        式中:Q為電機(jī)槽數(shù);p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

        同時(shí),我們將小于基波的諧波稱為次諧波。在12槽/10極電機(jī)中,1次諧波為該電機(jī)的次諧波,它也是產(chǎn)生永磁體渦流損耗的主要諧波。與此同時(shí),我們還可以看出,采用新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)次諧波下降很明顯,降低了35.9%,可以認(rèn)為,采用新結(jié)構(gòu)后次諧波可以完全消除。我們發(fā)現(xiàn)該仿真結(jié)構(gòu)與理論分析結(jié)果相一致,證明了理論的正確性。

        3 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

        由上面分析可知,當(dāng)采用新型繞組結(jié)構(gòu)時(shí),定子繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波會(huì)降低,次諧波的降低會(huì)導(dǎo)致永磁體渦流損耗和電機(jī)鐵耗的降低。但是,基于不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),其降低效果并不一樣[16]。因此,我們研究基于不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下的次諧波降低對(duì)其損耗的影響。

        (a)表貼式

        (b)表嵌式

        圖5(a)展示了12槽/10極的表貼式電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),其定子有12個(gè)槽組成,轉(zhuǎn)子由10個(gè)永磁體構(gòu)成。由于其永磁體極弧系數(shù)為1,永磁體遍布在整個(gè)轉(zhuǎn)子上,永磁體的導(dǎo)磁性能比較差,與空氣類似。因此,諧波磁力線很難通過(guò)轉(zhuǎn)子形成一個(gè)完整的定子-氣隙-轉(zhuǎn)子的回路。圖5(b)展示了12槽/10極的表嵌式電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),其永磁體極弧系數(shù)為0.8,由于永磁磁極之間有導(dǎo)磁性能較好的硅鋼片,有利于諧波磁力線的通過(guò),從而形成一個(gè)完整的定子-氣隙-轉(zhuǎn)子的回路。需要說(shuō)明的是2種電機(jī)結(jié)構(gòu)和尺寸完全一致,其參數(shù)如表1所示。此外,定轉(zhuǎn)子硅鋼片材料特性如表2所示。該電機(jī)的永磁體材料特性如表3所示。

        表1 新型繞組結(jié)構(gòu)12槽/10極電機(jī)參數(shù)

        4 諧波降低對(duì)損耗的影響

        根據(jù)前面分析可知,不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)諧波磁力線的回路產(chǎn)生影響。因此,基于不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下的次諧波降低對(duì)電機(jī)鐵耗和永磁體渦流損耗的影響也是不同的。

        表2 定轉(zhuǎn)子材料特性(M19-29G)

        表3 永磁體材料特性

        圖6(a)展示了基于不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)鐵耗的影響。從圖6(a)中可以看出,與表貼式結(jié)構(gòu)相比,次諧波的降低引起的鐵耗降低在表嵌式中更明顯。這是由于表嵌式結(jié)構(gòu)有利于諧波的通過(guò),因此損耗降低更明顯。與表貼式結(jié)構(gòu)相比,表嵌式的鐵耗下降多0.15%。圖6(b)展示了基于不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)永磁體渦流損耗的影響。從圖6(b)中可以看出,在2種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下,次諧波的降低引起的永磁體渦流損耗降低效果大體一致。這是由于永磁體渦流損耗是諧波直接在永磁體中作用產(chǎn)生,并不需要構(gòu)成回路。與傳統(tǒng)繞組結(jié)構(gòu)相比,由于次諧波的降低,新型繞組結(jié)構(gòu)電機(jī)鐵耗和永磁體渦流損耗都降低了,因此采用新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)有利于電機(jī)的運(yùn)行。

        (a) 鐵耗比較

        (b) 永磁體渦流損耗比較

        5 結(jié) 語(yǔ)

        本文研究了一種新型的星-三角連接繞組結(jié)構(gòu),它能夠有效地降低定子繞組磁動(dòng)勢(shì)次諧波,進(jìn)而降低電機(jī)損耗,有利于電機(jī)的運(yùn)行。但是基于不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),它降低的效果并不一樣。通過(guò)有限元仿真發(fā)現(xiàn),由于表嵌式電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有利于諧波磁力線通過(guò),因此采用新結(jié)構(gòu)后,其電機(jī)鐵耗下降更明顯。此外,由于繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波直接在永磁體中產(chǎn)生永磁體渦流損耗,并不需要通過(guò)轉(zhuǎn)子形成回路,故電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)其影響不是很大。因此,表貼式和表嵌式電機(jī)中永磁體渦流損耗下降百分比一致。需要說(shuō)明的是,這種新型的繞組方法可以適用于具有高諧波含量的其他類型電機(jī)。

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