鄭軍洪，孫國偉，陳漢錫

(廣東美芝制冷設(shè)備有限公司，廣東 順德 528333)

0 引 言

隨著生活水平的提升，變頻空調(diào)逐漸成為市場的主流產(chǎn)品。壓縮機(jī)中的永磁同步電機(jī)是變頻空調(diào)的核心部件。國家推出能效領(lǐng)跑者計(jì)劃，壓縮機(jī)能效要求提高，壓縮機(jī)對電機(jī)的效率要求也相應(yīng)提高；隨市場競爭激烈，壓縮機(jī)成本中電機(jī)占大頭，電機(jī)的成本直接決定壓縮機(jī)的競爭力；對于新能源汽車用電動(dòng)壓縮機(jī)對電機(jī)重量有嚴(yán)格要求。從而對永磁同步電機(jī)的高功率密度、高效和低成本提出了更高的要求。

采用高繞組系數(shù)的槽極配合方案，是高效永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)方案。壓縮機(jī)用永磁同步電機(jī)較普遍的槽極配合有分布繞組18槽6極、24槽4極；集中繞組6槽4極、9槽6極、12槽8極。集中繞組端部低、銅線用量少、制造效率高的特點(diǎn)，占有優(yōu)勢。文獻(xiàn)[1]中，對集中繞組的繞組系數(shù)、轉(zhuǎn)子渦流損耗進(jìn)行了研究，高繞組系數(shù)槽極配合有12槽10極。文獻(xiàn)[2]中，對12槽8極和12槽10極進(jìn)行了空載反電勢、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、齒槽轉(zhuǎn)矩指標(biāo)的仿真比較。文獻(xiàn)[3-4]中，對12槽10極星-三角混合繞組進(jìn)行了研究，星-三角混合繞組相比星型繞組，繞組系數(shù)提高，低次磁動(dòng)勢諧波降低，磁鐵渦流損耗降低，電機(jī)性能提高，但無實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[5]中，對集中繞組不同槽極配合的振動(dòng)進(jìn)行了研究，采用有限元計(jì)算了徑向電磁力和定子模態(tài)，但無實(shí)驗(yàn)對比。現(xiàn)有文獻(xiàn)資料對集中繞組不同槽極配合的電機(jī)效率、振動(dòng)方面進(jìn)行了描述，很少有理論對比實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)結(jié)果[1-5]。

本文使用有限元軟件仿真分析，針對分?jǐn)?shù)槽集中繞組高效永磁同步電機(jī)進(jìn)行研究，包括12槽8極、12槽10極星型繞組、12槽10極星-三角混合繞組，分析繞組系數(shù)、繞組磁動(dòng)勢諧波、轉(zhuǎn)子渦流損耗、定子模態(tài)。并對設(shè)計(jì)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測試電機(jī)效率，實(shí)測電機(jī)振動(dòng)進(jìn)行對比分析。為高效永磁電機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)方案選擇提供參考依據(jù)。

1 繞組系數(shù)及磁動(dòng)勢諧波分析

1.1 繞組系數(shù)

圖1 樣機(jī)12槽8極和12槽10極結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 12槽10極星-三角混合繞組連接圖

UAB=2(UA1+Ua2-Ub1-UB2)

(1)

UAB=2(UYa2-U△b1-UYB2)

(2)

圖3 實(shí)測12槽10極星型與星-三角空載反電動(dòng)勢波形

1.2 磁動(dòng)勢諧波分析

定子電樞繞組磁動(dòng)勢的諧波磁動(dòng)勢會(huì)在永磁體內(nèi)產(chǎn)生渦流損耗,特別是低于基波次數(shù)的低次諧波磁動(dòng)勢產(chǎn)生的渦流損耗較大，使得轉(zhuǎn)子磁鐵溫度升高，磁性能下降，溫升嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致磁鐵發(fā)生退磁。

采用有限元軟件仿真定子施加負(fù)載電流時(shí)的電磁場，得到氣隙磁密波形，進(jìn)行FFT，即得到繞組磁動(dòng)勢各次諧波含量。仿真分析時(shí)將轉(zhuǎn)子設(shè)置為整圓硅鋼片，無磁鐵。圖4為繞組磁動(dòng)勢分析定子施加負(fù)載電流時(shí)的磁場分布圖。

圖4 繞組磁動(dòng)勢分析磁場分布圖

由圖4可知，磁力線的對稱數(shù)等于電機(jī)極對數(shù)，12槽10極星型繞組存在對稱性為1的磁力線，即存在1次磁動(dòng)勢諧波磁力線；12槽8極和12槽10極星-三角混合繞組不存在1次磁動(dòng)勢諧波磁力線。圖5為繞組磁動(dòng)勢分析定子施加負(fù)載電流時(shí)的氣隙磁密波形圖。由圖5可知，12槽10極星-三角混合繞組的磁動(dòng)勢產(chǎn)生的氣隙磁密波形NS極對稱性優(yōu)于星型繞組，諧波含量降低。圖6是圖5的氣隙磁密波形FFT，得到繞組磁動(dòng)勢諧波占比。由圖6可知，12槽8極不存在低于極對數(shù)次數(shù)的諧波；12槽10極存在低于極對數(shù)次數(shù)的1次諧波含量，星-三角混合繞組可以消除1次磁動(dòng)勢諧波。

圖5 繞組磁動(dòng)勢分析氣隙磁密波形圖

圖6 繞組磁動(dòng)勢分析氣隙磁密波形圖

1.3 磁鐵渦流損耗分析

定子電樞繞組磁動(dòng)勢的諧波磁動(dòng)勢會(huì)在永磁體內(nèi)產(chǎn)生渦流損耗，采用有限元軟件仿真計(jì)算轉(zhuǎn)速3600 r/min負(fù)載工況下永磁體產(chǎn)生的渦流損耗，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，12槽10極永磁體產(chǎn)生的渦流損耗大于12槽8極；12槽10極星-三角混合繞組永磁體渦流損耗隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，損耗變化率比12槽10極星型繞組大，但損耗平均值小于星型繞組，可知星-三角混合繞組降低了永磁體渦流損耗。

綜上分析，12槽10極具有高繞組系數(shù)，有利實(shí)現(xiàn)高效率，但轉(zhuǎn)子渦流損耗增加了損耗，降低了電機(jī)效率。通過有限元電磁場仿真計(jì)算，得到電磁轉(zhuǎn)矩、鐵損、銅損、轉(zhuǎn)子磁鐵渦流損耗；根據(jù)前期經(jīng)驗(yàn)確定雜散損耗系數(shù)、機(jī)械損耗；計(jì)算出電機(jī)效率仿真值。電機(jī)效率仿真結(jié)果為：12槽10極星-三角混合繞組>12槽10極星型繞組>12槽8極。

圖7 3600 r/min負(fù)載工況下永磁體渦流損耗

2 電機(jī)效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

電機(jī)效率測試系統(tǒng)如圖8所示，采用主動(dòng)式測功機(jī)測試系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用測功機(jī)采用同軸雙機(jī)系統(tǒng)。

圖8 電機(jī)效率測試系統(tǒng)示意圖

以12槽8極第一個(gè)扭力點(diǎn)的效率為基準(zhǔn)，每個(gè)扭力點(diǎn)效率減去基準(zhǔn)效率得到電機(jī)相對效率；圖9為實(shí)測轉(zhuǎn)速3600 r/min時(shí)電機(jī)相對效率隨扭力變化曲線。由圖9可知，12槽10極電機(jī)效率高于12槽8極；12槽10極星-三角混合繞組電機(jī)效率高于12槽10極星型繞組，且隨著負(fù)載扭力變大，效率提升效果越明顯，實(shí)測電機(jī)效率趨勢與仿真一致。

圖9 實(shí)測轉(zhuǎn)速3600 r/min時(shí)的電機(jī)相對效率對比

3 定子模態(tài)分析

采用有限元仿真軟件計(jì)算定子鐵心模態(tài)頻率，得到定子鐵心各階模態(tài)頻率，如圖10所示。

圖10 定子鐵心模態(tài)仿真

徑向電磁力頻率分布需關(guān)注電機(jī)電頻率的整數(shù)倍頻率對應(yīng)的徑向力。由徑向電磁力頻率分布和定子鐵心模態(tài)仿真結(jié)果可知，低階徑向力波頻率沒有和電機(jī)固有模態(tài)頻率接近，不會(huì)產(chǎn)生共振。

4 電機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

將電機(jī)固定安裝在電機(jī)振動(dòng)測試臺(tái)位，在電機(jī)定子鐵心外徑上安裝加速度傳感器。測試轉(zhuǎn)速3600 r/min下負(fù)載時(shí)電機(jī)徑向加速度振動(dòng)。

轉(zhuǎn)速3600 r/min時(shí)，12槽8極電頻率為240 Hz,12槽10極的電頻率為300 Hz；以12槽8極負(fù)載下2倍電頻率的電機(jī)徑向加速度振動(dòng)值為基準(zhǔn)，每個(gè)頻率下的電機(jī)徑向加速度振動(dòng)值減去基準(zhǔn)振動(dòng)值得到徑向加速度振動(dòng)相對值；圖11為空載時(shí)電機(jī)徑向加速度振動(dòng)相對值結(jié)果；圖12為負(fù)載時(shí)電機(jī)徑向加速度振動(dòng)相對值結(jié)果。

圖11 轉(zhuǎn)速3600 r/min空載時(shí)電機(jī)徑向加速度振動(dòng)相對值結(jié)果

圖12 轉(zhuǎn)速3600 r/min負(fù)載時(shí)電機(jī)徑向加速度振動(dòng)相對值結(jié)果

由圖11和圖12可知，負(fù)載振動(dòng)大于空載振動(dòng)；12槽10極空載、負(fù)載下的振動(dòng)高于12槽8極。12槽10極星-三角混合繞組空載下的振動(dòng)與12槽10極星型繞組相當(dāng)，但負(fù)載下的振動(dòng)高于星型繞組。

5 結(jié) 論

通過分析影響電機(jī)效率的繞組系數(shù)、繞組磁動(dòng)勢諧波、轉(zhuǎn)子渦流損耗要素，仿真計(jì)算電機(jī)效率，并實(shí)測電機(jī)效率，驗(yàn)證了12槽10極星-三角混合繞組電機(jī)效率提升明顯，適用于高功率密度的電機(jī)方案中檢討。

通過仿真計(jì)算定子模態(tài)來避免與低階徑向電磁力發(fā)生共振，并實(shí)測電機(jī)徑向加速度振動(dòng)，得到12槽10極星-三角混合繞組電機(jī)徑向加速度振動(dòng)變大的結(jié)果。綜合對比電機(jī)效率和電機(jī)振動(dòng)，為高效永磁電機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)方案選擇提供參考依據(jù)。