王艾萌，田 義

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)具有體積小、功率密度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、航空航天等工程領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[1]。采用分?jǐn)?shù)槽繞組，使得齒槽轉(zhuǎn)矩小，采用單層繞組時(shí)各相繞組間互感低，磁耦合小，這種電機(jī)具有較高的弱磁擴(kuò)速性能和容錯(cuò)能力[2-5]。對(duì)于分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)而言，單層繞組比雙層疊繞組具有更高的繞組因數(shù)，更高的自感以及更低的互感[6-8]。雖然單層繞組的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，但相對(duì)于增加的輸出轉(zhuǎn)矩而言，其影響可以忽略[9]。

對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，特別是大型離岸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，模塊化的定子結(jié)構(gòu)與分?jǐn)?shù)槽單層集中繞組結(jié)合能簡(jiǎn)化風(fēng)電機(jī)組的制造、運(yùn)輸及維修。電機(jī)在制造時(shí)可分別在各個(gè)定子模塊上繞線，再裝配到一起，不僅便于自動(dòng)化繞線，從而降低成本，也提高了定子槽滿率；電機(jī)在維修時(shí)，只需拆下模塊化電機(jī)故障相的定子模塊即可。模塊化定子結(jié)構(gòu)使各相繞組在物理空間上相對(duì)獨(dú)立，避免了故障相對(duì)于正常相的影響，提高了電機(jī)容錯(cuò)能力。此外，模塊化定子結(jié)構(gòu)電機(jī)可在定子間隙內(nèi)填充隔磁材料，或水冷散熱管路，以期在提高電機(jī)容錯(cuò)能力的同時(shí)，帶走電機(jī)運(yùn)行時(shí)機(jī)殼內(nèi)難以散出的熱量，提高電機(jī)功率密度及運(yùn)行效率[10]。

然而，各模塊之間定子間隙的存在，改變了電機(jī)的鐵心磁路，由此影響了電機(jī)的電磁性能。本文研究了模塊化定子結(jié)構(gòu)對(duì)分?jǐn)?shù)槽單層集中繞組永磁同步電機(jī)性能的影響，并與傳統(tǒng)的一體式定子結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析，以期望該結(jié)構(gòu)能應(yīng)用到大型離岸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，對(duì)工程實(shí)際起到指導(dǎo)意義。

1 模塊化電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型

本文所討論的分?jǐn)?shù)槽單層集中繞組永磁同步電機(jī)模型如圖1所示。圖1(a)為一體式定子結(jié)構(gòu)電機(jī)，圖1(b)為模塊化定子結(jié)構(gòu)電機(jī)。轉(zhuǎn)子統(tǒng)一采用嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子上的永磁體嵌入在鐵心表面。其中，Rin為定子內(nèi)徑，2t0為繞線齒寬度，ttip為齒尖寬度，W0為定子間隙寬度。模塊化電機(jī)中，非繞線齒上有定子間隙，寬度為2t0+W0。電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

采用單層集中繞組，因此槽數(shù)為偶數(shù)。相數(shù)為三相，故定子中的線圈數(shù)應(yīng)為3的倍數(shù)。對(duì)于分?jǐn)?shù)槽單層集中繞組電機(jī)而言，每相所包含的線圈數(shù)應(yīng)為偶數(shù)，以避免不平衡磁拉力[11-12]。因此，對(duì)于每槽只包含一個(gè)線圈邊的分?jǐn)?shù)槽單層集中繞組電機(jī)而言，其定子槽數(shù)最少應(yīng)為12。

圖1 兩種定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的橫截面及其參數(shù)標(biāo)注

定子槽數(shù)為12，繞組因數(shù)在極數(shù)為10與14時(shí)達(dá)到最大，為0.966。選取這兩種槽極配置進(jìn)行建模研究，用以探究分別在多槽少極(12槽10極)與少槽多極(12槽14極)條件下，模塊化的定子結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響。另外雖然12槽12極電機(jī)節(jié)距因數(shù)最大且為1，但齒槽轉(zhuǎn)矩大且磁耦合現(xiàn)象嚴(yán)重，因此不予采用。在12槽10極條件下，繞組配置如圖1(a)所示，此時(shí)，電機(jī)定子繞組的節(jié)距小于轉(zhuǎn)子極距。在12槽14極條件下，繞組配置如圖1(b)所示，此時(shí)，電機(jī)定子繞組的節(jié)距大于轉(zhuǎn)子極距。

表1 電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 模塊化對(duì)電機(jī)電磁性能的影響

2.1 繞組因數(shù)

模塊化電機(jī)定子間隙的存在并不影響各相線圈在定子中的相對(duì)位置(如圖1所示)，且各相相鄰線圈的電動(dòng)勢(shì)方向相同，因此模塊化電機(jī)分布系數(shù)未改變。但是定子間隙的存在減小了模塊化電機(jī)的槽間距，使得節(jié)距因數(shù)變化，具體可由下式得出：

(1)

(2)

式中，kp為模塊化電機(jī)的節(jié)距因數(shù)；n為諧波次數(shù)；yNew為模塊化電機(jī)槽間距；為極距；y為一體式電機(jī)槽間距，如圖2定子結(jié)構(gòu)示意圖所示。

圖2 模塊化定子結(jié)構(gòu)示意圖(非真實(shí)比例)

根據(jù)上式得出兩種定子結(jié)構(gòu)各次諧波的繞組因數(shù)如表2所示。對(duì)于12槽10極而言，在不考慮高次諧波的前提下，其本身的槽間距小于極距，而定子間隙的存在又進(jìn)一步減少了槽間距，因此模塊化電機(jī)的節(jié)距因數(shù)有所減小。而對(duì)于12槽14極電機(jī)，因其槽間距大于極距，雖然定子間隙的存在會(huì)使電機(jī)的槽間距減小，但是槽間距與極距的比值增大了，從而增大節(jié)距因數(shù)。

表2 兩種電機(jī)各次諧波繞組因數(shù)對(duì)比

在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，可以通過(guò)調(diào)整定子間隙的寬度，使電機(jī)的繞組因數(shù)接近于1，以達(dá)到提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度與性能的目的。

模塊化電機(jī)的基波繞組因數(shù)隨定子間隙寬度W0變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可知，對(duì)于12槽10極模塊化電機(jī)而言，其繞組因數(shù)隨定子間隙寬度的增加而減??；而對(duì)于12槽14極電機(jī)而言，隨著定子間隙寬度的增加，電機(jī)的槽間距和極距會(huì)逐漸相等，進(jìn)而使得繞組因數(shù)達(dá)到最大值(最大值為1)，此后，槽間距隨著定子間隙寬度的增加(W0>4.5mm)繼續(xù)減小，并逐漸小于極距，使得繞組因數(shù)在達(dá)到最大值后呈下降趨勢(shì)。

圖3 繞組因數(shù)隨定子間隙寬度變化曲線

2.2 空載氣隙磁密

模塊化電機(jī)中定子間隙的存在改變了電機(jī)的氣隙磁導(dǎo)和定子鐵心中的磁路，使得氣隙磁密發(fā)生改變，其波形如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，模塊化電機(jī)的氣隙磁密相對(duì)一體式電機(jī)有所減小。這是因?yàn)槎ㄗ幽K間隙增加了有效槽開(kāi)口(定子間隙+槽開(kāi)口)的寬度，進(jìn)而減小了定子內(nèi)圓面向氣隙部分的面積。

圖4 空載氣隙磁密隨轉(zhuǎn)子位置變化曲線

圖5顯示了在兩種槽極配置下，電機(jī)氣隙磁密波形的諧波分析。從圖中可以看出，對(duì)于12槽10極電機(jī)，氣隙磁密的5次諧波幅值最大，用以產(chǎn)生電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。這是因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù)為5時(shí)，在360°機(jī)械角度內(nèi)，電機(jī)氣隙磁密的波形近似為周期為5的正弦曲線，除5次諧波外，25次諧波幅值最大，約為工作波的17.5%；同理，對(duì)于12槽14極電機(jī)，氣隙磁密的7次諧波為主要分量，因?yàn)榇艠O對(duì)數(shù)為7，除7次諧波外，21次諧波幅值最大，約為工作波的15.9%。

圖5 空載氣隙磁密諧波

2.3 空載每相磁鏈

兩種定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的空載磁場(chǎng)分布如圖6所示，轉(zhuǎn)子處于使A相磁鏈最大時(shí)的位置，即磁極軸線與齒中心重合之處。由圖6可知，對(duì)于12槽10極電機(jī)，定子間隙的存在使得其他相的磁力線難以進(jìn)入A相，這是因?yàn)榇帕€需要先通過(guò)定子間隙，而空氣的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遜于鐵磁材料。這就直接導(dǎo)致了12槽10極模塊化電機(jī)的A相磁鏈相對(duì)于一體式電機(jī)而言有所減小，同時(shí)，C相磁鏈略有增加，此為散磁現(xiàn)象。相反，對(duì)于12槽14極模塊化電機(jī)而言，通過(guò)對(duì)比一體式電機(jī)的磁場(chǎng)分布可知，其定子間隙阻止了A相的磁力線散到其他相中，使得12槽14極模塊化電機(jī)的A相磁鏈相對(duì)于一體式電機(jī)而言有所增加，而B(niǎo)相磁鏈有所減小，此為聚磁現(xiàn)象。

圖6 電機(jī)空載磁力線分布

圖7 空載磁鏈

兩種定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的空載每相磁鏈波形如圖7所示。由圖可知，在不同槽極配置下，電機(jī)每相磁鏈波形的幅值會(huì)隨定子結(jié)構(gòu)的不同而發(fā)生改變。

這是因?yàn)?，每相磁鏈波形的幅值主要受繞組因數(shù)、空載氣隙磁密和聚磁/散磁現(xiàn)象3種因素影響。對(duì)于12槽10極電機(jī)，定子間隙使電機(jī)繞組因數(shù)減小、空載氣隙磁密減小并產(chǎn)生散磁現(xiàn)象，所以模塊化電機(jī)的每相磁鏈幅值有所減小。在實(shí)際工程應(yīng)用中，若繼續(xù)擴(kuò)大12槽10極電機(jī)的定子間隙寬度，電機(jī)的空載每相磁鏈幅值的下降幅度只會(huì)愈加明顯。然而，對(duì)于12槽14極電機(jī)而言，定子間隙的存在雖然使得電機(jī)的空載氣隙磁密幅值有所下降，但在更高的繞組因數(shù)和聚磁現(xiàn)象的共同作用下，模塊化電機(jī)的空載每相磁鏈幅值相較于一體式電機(jī)反而有所提升。

2.4 空載反電動(dòng)勢(shì)

電機(jī)的空載每相反電動(dòng)勢(shì)的幅值與空載每相磁鏈呈正比關(guān)系，定子間隙的存在同樣會(huì)影響電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)。圖8顯示了在額定轉(zhuǎn)速下，不同槽極配置(12槽10極與12槽14極)的兩種定子結(jié)構(gòu)電機(jī)空載相反電動(dòng)勢(shì)的波形?？梢钥闯觯c圖7中所表現(xiàn)出的定子間隙對(duì)兩種電機(jī)每相磁鏈波形的影響相類似。

圖8 空載反電動(dòng)勢(shì)

3 模塊化對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的影響

3.1 輸出轉(zhuǎn)矩

在額定轉(zhuǎn)速條件下，兩種定子結(jié)構(gòu)電機(jī)在各相繞組內(nèi)通入額定正弦電流且處于最佳電流控制角度時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖9所示。由圖9(a)可以看出，在不考慮定子齒部磁飽和與弱磁的條件下，對(duì)于12槽10極電機(jī)而言，模塊化電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有所減小。12槽14極電機(jī)，則與之相反。這是因?yàn)閷?duì)定子的模塊化改造會(huì)直接影響電機(jī)的繞組因數(shù)、空載氣隙磁密、空載每相磁鏈等，進(jìn)而分別影響兩種槽極配置電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

圖9 負(fù)載轉(zhuǎn)矩

3.2 磁阻轉(zhuǎn)矩

兩種定子結(jié)構(gòu)電機(jī)在負(fù)載狀態(tài)下的磁阻轉(zhuǎn)矩波形如圖10所示，由圖可知，使磁阻轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值時(shí)的電流控制角與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的電流控制角不相同，且磁阻轉(zhuǎn)矩的電流控制角大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。并且對(duì)于12槽10極電機(jī)而言，與一體式電機(jī)相比，模塊化電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩較低，而對(duì)于12槽14極電機(jī)而言，對(duì)定子的模塊化改造反而會(huì)提高電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，使其具有更優(yōu)異的弱磁運(yùn)行能力。

圖10 負(fù)載轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩隨電流控制角變化曲線

3.3 齒槽轉(zhuǎn)矩

在兩種槽極配置下，不同定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖11所示。從中可以看出，兩種定子結(jié)構(gòu)下，12槽10極電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩普遍大于12槽14極電機(jī)，這是因?yàn)橄啾扔?2槽10極，12槽14極電機(jī)槽極數(shù)的最小公倍數(shù)更大。一般而言，在其他條件相同時(shí)，分?jǐn)?shù)槽電機(jī)槽極數(shù)的最小公倍數(shù)越大，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩越小[13]。

由圖11可以發(fā)現(xiàn)，不同槽極配置下，模塊化電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值均高于一體式電機(jī)。因此模塊化電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要高于一體式電機(jī)，因?yàn)樵陔姍C(jī)每相反電動(dòng)勢(shì)波形接近正弦波時(shí)，其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要來(lái)自于齒槽轉(zhuǎn)矩。

兩種定子結(jié)構(gòu)齒槽轉(zhuǎn)矩的諧波分析如圖12所示。從中可以看出，不同槽極配置下，兩種定子結(jié)構(gòu)均含有12次諧波分量，且幅值相近，這是因?yàn)閮烧叨ㄗ硬蹟?shù)均為12，且槽開(kāi)口寬度保持不變(2mm)，故在360°電角度內(nèi)，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的波形具有12個(gè)周期。

圖11 齒槽轉(zhuǎn)矩

圖12 齒槽轉(zhuǎn)矩諧波

由圖12也可以看出，模塊化電機(jī)不同槽極配置下，齒槽轉(zhuǎn)矩波形在具有12次諧波分量的同時(shí)，也具有6次諧波分量。這是因?yàn)槟K化電機(jī)在定子內(nèi)圓中除具有12個(gè)槽開(kāi)口之外，同時(shí)具有6個(gè)定子間隙，這就使得電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩引入了6次諧波分量，而6次諧波分量的幅值會(huì)隨電機(jī)定子間隙寬度的增加而有所提高。因此模塊化電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩大于一體式電機(jī)。同時(shí)，由于其6次諧波分量的幅值已然大于12次諧波分量，使模塊化電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的波形發(fā)生畸變，在360°電角度內(nèi)的周期數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)的一半，如圖13所示。

圖13 定子磁滯損耗

4 模塊化對(duì)電機(jī)損耗特性的影響

4.1 空載鐵耗

額定轉(zhuǎn)速下，不同槽極配置電機(jī)在空載時(shí)的定子鐵心磁滯損耗波形如圖13所示。由圖可知，在空載條件下，模塊化電機(jī)定子鐵心的磁滯損耗均有所提高。這是因?yàn)槎ㄗ娱g隙使得非繞線齒(也叫輔助齒)齒部磁通密度增加，如圖14所示。過(guò)高的齒磁通密度則會(huì)在定子鐵心處引起較高的磁滯損耗，故模塊化電機(jī)定子鐵心處的空載磁滯損耗高于一體式電機(jī)。

圖14 輔助齒磁通密度

額定轉(zhuǎn)速下，不同槽極配置電機(jī)在空載時(shí)的永磁體渦流損耗波形如圖15所示。由圖可知，空載條件下，模塊化電機(jī)永磁體的渦流損耗有所提高。這是因?yàn)槎ㄗ娱g隙使得空載氣隙磁密波形發(fā)生畸變，各次諧波幅值有所增加，增加的這部分諧波則會(huì)作用于永磁體上，從而引起額外的永磁體渦流損耗。因此，模塊化電機(jī)永磁體處的空載渦流損耗高于一體式電機(jī)。

4.2 負(fù)載鐵耗

額定轉(zhuǎn)速下，不同槽極配置電機(jī)在各相繞組內(nèi)通入額定正弦交流電時(shí)的定子鐵心磁滯損耗與永磁體渦流損耗波形如圖13、圖15所示?？梢钥闯?，負(fù)載情況下，定子間隙對(duì)電機(jī)鐵耗特性的影響與空載時(shí)一致，幅值與空載時(shí)相比略有增加。這是因?yàn)樵陬~定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，其主磁場(chǎng)由永磁體提供，負(fù)載電流所激發(fā)的電樞磁場(chǎng)相對(duì)于主磁場(chǎng)較小，如圖16所示。

圖15 永磁體渦流損耗

圖16 電樞磁場(chǎng)氣隙磁密

表3 各電機(jī)運(yùn)行效率對(duì)比

4.3 銅耗與效率

在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的繞組銅耗可由下式得出[14]：

(3)

式中，NS為定子槽數(shù)；NC為每槽中的導(dǎo)體數(shù)；ρ為銅導(dǎo)線的電阻率，Ω·m；Lef為電機(jī)軸向長(zhǎng)度，m；S為每槽的橫截面積，m2；kb為電機(jī)的槽滿率；IRMS為每相繞組額定電流的有效值，A。

槽極配置的不同并不會(huì)影響電機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的銅耗，而定子間隙擠壓了定子槽的大小，使得模塊化電機(jī)的每槽橫截面積S與一體式電機(jī)相比有所減小，進(jìn)而影響電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的繞組銅耗。

在額定狀態(tài)下，相比于一體式電機(jī)，模塊化電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的繞組銅耗有所增加，且隨著定子間隙寬度的增加而繼續(xù)增大。式(3)只考慮了電機(jī)繞組內(nèi)的直流銅耗，定子齒尖的存在會(huì)使得電樞齒齒部漏磁增加，并由此在電機(jī)繞組內(nèi)引發(fā)額外的交流銅耗[15]。而定子齒尖引發(fā)的交流銅耗相對(duì)較小，所以在此處忽略不計(jì)。

額定狀態(tài)下，計(jì)算各電機(jī)的運(yùn)行效率，其結(jié)果如表3所示。由表3可知，額定狀態(tài)下，對(duì)于多槽少極(12槽10極)電機(jī)而言，模塊化電機(jī)的運(yùn)行效率有所降低。這是因?yàn)槎ㄗ娱g隙會(huì)在電機(jī)運(yùn)行時(shí)引起更大的鐵耗與銅耗。而對(duì)于少槽多極(12槽14極)電機(jī)而言，模塊化電機(jī)的運(yùn)行效率反而略有增加。雖然模塊化電機(jī)運(yùn)行時(shí)具有更大的鐵耗和銅耗，但因其定子間隙的存在所帶來(lái)的輸出轉(zhuǎn)矩的提升則抵消了運(yùn)行損耗對(duì)電機(jī)效率的影響，使得12槽14極模塊化電機(jī)在額定狀態(tài)下?lián)碛懈叩倪\(yùn)行效率。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)在分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)的非繞線齒中插入定子間隙的方式完成了對(duì)傳統(tǒng)一體式定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的模塊化改造，并在多槽少極(12槽10極)與少槽多極(12槽14極)情況下，對(duì)兩種定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的電磁性能、轉(zhuǎn)矩特性、損耗和運(yùn)行效率進(jìn)行了探究，得出如下結(jié)論：

(1)不同槽極配置下，模塊化電機(jī)的氣隙磁密有所減小，而齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、定子磁滯損耗、永磁體渦流損耗和繞組銅耗則有所增加。

(2)對(duì)于12槽10極電機(jī)而言，對(duì)電機(jī)定子的模塊化改造會(huì)使其擁有散磁效應(yīng)和較低的繞組因數(shù)，因此模塊化電機(jī)的空載每相磁鏈、空載反電動(dòng)勢(shì)、輸出轉(zhuǎn)矩、磁阻轉(zhuǎn)矩及運(yùn)行效率有所降低；而12槽14極電機(jī)與之相反。因此，相對(duì)于多槽少極電機(jī)，少槽多極電機(jī)更加適合進(jìn)行模塊化改造。

本文結(jié)論同樣適用于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子電機(jī)，以及其他槽極配置的分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)。同時(shí)，模塊化電機(jī)也面臨著定子剛度下降和如何有效固定各定子模塊的問(wèn)題，可以在定子模塊內(nèi)外表面加入可拆卸的固定用貼片。要根據(jù)不同的外界條件，綜合考慮模塊化電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合。