梅柏杉,孫慶超

(上海電力大學(xué)，上海200090)

0 引 言

永磁同步電機(jī)由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度高、轉(zhuǎn)矩密度高和效率高等優(yōu)異特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、新能源電動(dòng)汽車(chē)等高功率場(chǎng)所[1-2]。永磁同步電機(jī)的定子鐵心一般會(huì)采用閉口槽結(jié)構(gòu)、半開(kāi)口槽結(jié)構(gòu)和開(kāi)口槽結(jié)構(gòu)。閉口槽結(jié)構(gòu)能夠改善氣隙磁密的分布，降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高永磁同步電機(jī)的電氣性能，但是對(duì)于定子繞組的下線工藝要求很高，增加電機(jī)成本。開(kāi)口槽和半開(kāi)口槽則會(huì)導(dǎo)致氣隙磁密的分布不均勻，嚴(yán)重影響電機(jī)的電氣性能[3-4]。

針對(duì)定子鐵心為開(kāi)口槽和半開(kāi)口槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)，國(guó)外學(xué)者提出一種磁性槽楔結(jié)構(gòu)[5-6]。該結(jié)構(gòu)中由于導(dǎo)磁物質(zhì)的存在，提高了槽楔的導(dǎo)磁性能，一定程度上改善了磁導(dǎo)波形的平滑度，削弱電機(jī)的齒槽效應(yīng)，從而降低電機(jī)的鐵心損耗和齒槽轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)振動(dòng)和噪聲。電機(jī)使用磁性槽楔結(jié)構(gòu)后，會(huì)在磁性槽楔處形成一小部分漏磁場(chǎng)，增加定子槽漏抗。同時(shí)，由于磁性物質(zhì)的存在，在氣隙磁密的作用下，磁性槽楔會(huì)受到電磁拉力，進(jìn)而容易造成磁性槽楔的松動(dòng)和脫落，甚至損壞電機(jī)[7]。另外，由于磁性槽楔處于電機(jī)定子鐵心齒部的槽口處，在電機(jī)溫度較高的部位。所以，對(duì)磁性槽楔的力學(xué)性能和電磁性能均有較高的要求[8]。

針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，本文提出了一種疊片式磁性槽楔。此結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步改善電機(jī)的氣隙磁密分布，降低電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，減小電機(jī)的鐵耗。通過(guò)解析法分析磁性槽楔對(duì)于氣隙磁密諧波以及定子槽漏抗的影響，然后采用有限元法對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，分析該結(jié)構(gòu)的電氣性能。

1 磁性槽楔結(jié)構(gòu)和電磁分析

1.1 磁性槽楔結(jié)構(gòu)

疊片式磁性槽楔采用磁性槽楔沖片疊壓而成，磁性槽楔沖片采用硅鋼片沖制，其形狀尺寸與電機(jī)鐵心槽的槽口形狀及尺寸一致，硅鋼片材料機(jī)械強(qiáng)度高，還設(shè)置了楔入電機(jī)齒槽的突耳，在安裝時(shí)方便快捷，使用時(shí)更加安全可靠；并且此槽楔為中空結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用于電機(jī)鐵心槽的槽口時(shí)，可對(duì)齒槽漏磁通產(chǎn)生磁橋飽和效應(yīng)，因而大幅度減小齒槽漏磁，從而改善與漏磁電抗相關(guān)的電機(jī)性能[9]。圖1是單片的磁性沖片，101代表著疊片式磁性槽楔的中孔，102用于用于楔入電機(jī)齒槽的突耳。圖2是整體的疊片式磁性槽楔，201代表著注塑成型的中間長(zhǎng)通孔，1表示每個(gè)磁性沖片。

圖1 單片磁性沖片

圖2 疊片式磁性槽楔

1.2 氣隙諧波磁場(chǎng)分析

在永磁同步電機(jī)氣隙處局域內(nèi)建立坐標(biāo)，如圖3所示。

圖3 電機(jī)氣隙區(qū)域

氣隙磁密諧波表達(dá)式為[10]：

(1)

式中，X為以橫坐標(biāo)，Z為電機(jī)總槽數(shù)，F(xiàn)v(X)為v次諧波磁動(dòng)勢(shì)幅值，v為諧波次數(shù)，δ為氣隙長(zhǎng)度，μ0為真空磁導(dǎo)率。

其中，av和bv進(jìn)一步表示為：

(2)

(3)

式中：hs為磁性槽楔厚度，bs為定子槽寬，t為齒距，μ為磁性槽楔的相對(duì)磁導(dǎo)率。在式(1)中，可以假設(shè):

(4)

將(2)式和(3)式帶入(4)式，得：

由式(1)可知，假設(shè)電機(jī)繞組的諧波磁動(dòng)勢(shì)不變，那么氣隙磁密諧波就與cv有關(guān)。由式(5)可知，cv又與電機(jī)的定子槽寬、槽數(shù)、齒距和槽楔磁導(dǎo)率有關(guān)，當(dāng)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，氣隙磁密諧波幅值與相對(duì)磁導(dǎo)率的1/2次方成反比。

1.3 磁性槽楔的定子漏抗

如圖4所示為定子磁性槽楔的示意圖。

定子槽部高度h2的漏磁鏈為：

(6)

當(dāng)忽略磁性槽楔時(shí)，定子槽口高度h1的漏磁鏈為：

(7)

總漏磁鏈為：

(8)

圖4 定子磁性槽楔

所以，定子槽漏抗為：

(9)

式中:N為導(dǎo)體數(shù)，μ0為真空磁導(dǎo)率，l為鐵心軸向長(zhǎng)度，i為定子電流，f為電機(jī)頻率。

當(dāng)定子槽口處放置磁性槽楔時(shí)，會(huì)引起槽口高度h1處漏磁鏈的變化，氣隙磁場(chǎng)的磁導(dǎo)率變?yōu)棣蘲μ0，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率，所以定子槽漏抗為：

(10)

由此，當(dāng)電機(jī)使用磁性槽楔時(shí)，會(huì)增加定子槽漏抗，并且隨著相對(duì)磁導(dǎo)率的增加而增大。當(dāng)定子槽口使用疊片式磁性槽楔時(shí)，氣隙磁場(chǎng)的磁導(dǎo)率變?yōu)锽H曲線的斜率，當(dāng)磁場(chǎng)不飽和時(shí)，BH曲線的斜率要大于普通磁性槽楔的μr，也就是定子槽漏抗要大于普通磁性槽楔，當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到飽和時(shí)，氣隙磁場(chǎng)的磁導(dǎo)率會(huì)變小，使定子槽漏抗的值減小，所以疊片式磁性槽楔采用中空結(jié)構(gòu)，使磁楔處產(chǎn)生磁橋飽和現(xiàn)象，達(dá)到減小定子槽漏抗的作用。

2 疊片式磁性槽楔對(duì)電機(jī)性能的影響

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)采用磁性槽楔的永磁同步電機(jī)，表1是電機(jī)的主要參數(shù)。

表1 電機(jī)主要參數(shù)

圖5為疊片式磁性槽楔和普通磁性槽楔的電機(jī)模型，結(jié)構(gòu)如圖5所示。疊片式磁性槽楔在中間開(kāi)橢圓孔，長(zhǎng)軸為1.5 mm，短軸為1 mm，槽楔的材料為硅鋼片，導(dǎo)磁率為硅鋼片BH曲線，而普通的磁性槽楔的材料為模壓制型，相對(duì)磁導(dǎo)率分別為μ=1、3、5、8。兩種電機(jī)的其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均一致。以下為疊片式磁性槽楔和普通磁性槽楔的永磁同步電機(jī)進(jìn)行的有限元仿真對(duì)比驗(yàn)證。

圖5 疊片式磁性槽楔與普通磁性槽楔電機(jī)型

2.1 氣隙磁密的分析

電機(jī)使用磁性槽楔后，會(huì)使一部分磁通流過(guò)磁性槽楔然后再經(jīng)過(guò)氣隙到達(dá)轉(zhuǎn)子，削弱齒槽效應(yīng)所帶來(lái)的氣隙不均勻的現(xiàn)象[11]。圖6為電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)氣隙磁密波形圖。對(duì)圖6中的氣隙磁密波形進(jìn)行傅里葉分析，可以獲得氣隙磁密的基波以及各次諧波幅值，并通過(guò)式(11)可以得到氣隙磁密的諧波含量。氣隙磁密的諧波含量表達(dá)式為[12]

(11)

圖6 氣隙磁通密度

從圖6中可以看出，普通磁性槽楔的氣隙磁密波形在齒槽處有較大的波動(dòng)，而疊片式磁性槽楔的波形較為平滑，說(shuō)明疊片式磁楔槽楔進(jìn)一步改善了氣隙磁導(dǎo)波形。表2為氣隙磁密波形傅里葉分析后得到的各次諧波幅值。從表2中可以看出，各基波幅值相差不多，使用普通磁性槽楔時(shí)，相對(duì)磁導(dǎo)率越大，氣隙磁密的各次諧波幅值越小，諧波含量越小，驗(yàn)證式(5)中氣隙磁密諧波幅值與相對(duì)磁導(dǎo)率的1/2次方成反比。而使用疊片式磁性槽楔時(shí)，明顯減小各次諧波幅值，尤其是17、19次的齒諧波幅值，降低了氣隙磁密諧波含量。由此可以看出，疊片式磁性槽楔相較于普通磁性槽楔能夠更加優(yōu)化氣隙磁密波形。

表2 氣隙磁密各次諧波幅值及諧波含量

2.2 齒槽轉(zhuǎn)矩分析

齒槽轉(zhuǎn)矩是由定子鐵心與轉(zhuǎn)子永磁體之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，并隨轉(zhuǎn)子位置變化而周期性變化，是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要來(lái)源之一[13]。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是引起電機(jī)振動(dòng)和噪聲的主要原因之一，因此，減小齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)于永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要意義。如圖7為兩個(gè)周期的齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖。

圖7 齒槽轉(zhuǎn)矩

從圖7中可以看出，使用普通磁性槽楔時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩隨著磁導(dǎo)率的增大而減小，說(shuō)明磁性槽楔隨著磁導(dǎo)率的增大而能有效的減小齒槽轉(zhuǎn)矩。當(dāng)使用疊片式磁性槽楔時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩是普通磁性槽楔相對(duì)磁導(dǎo)率μ=8時(shí)的1/2左右，更是相對(duì)磁導(dǎo)率μ=1時(shí)的1/10左右，由此可見(jiàn)，疊片式磁性槽楔能夠明顯減小齒槽轉(zhuǎn)矩。

2.3 定子槽漏抗分析

電機(jī)使用磁性槽楔時(shí)，會(huì)在槽楔處形成漏磁場(chǎng)，對(duì)電機(jī)定子的槽漏抗有一定程度的改變，如圖8為電機(jī)定子槽漏抗圖。

圖8 定子槽漏抗

從圖8中可以看出，使用普通磁性槽楔時(shí)，電機(jī)定子槽漏抗隨著磁導(dǎo)率的增加而增大，而疊片式磁性槽楔由于其中空結(jié)構(gòu)，使磁性槽楔的漏磁場(chǎng)出現(xiàn)磁橋飽和效應(yīng)，降低了定子槽漏抗，使疊片式磁性槽楔的定子槽漏抗要小于相對(duì)磁導(dǎo)率為不低于3的定子槽漏抗，進(jìn)而間接影響電機(jī)性能。如圖9為槽楔處的磁力線。

圖9 磁力線

2.4 電機(jī)鐵耗分析

根據(jù)鐵耗分離方法，鐵耗主要由渦流損耗和磁滯損耗組成，采用磁性槽楔時(shí)會(huì)對(duì)氣隙的磁場(chǎng)諧波產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到電機(jī)的渦流損耗，如圖10為瞬態(tài)磁場(chǎng)下的電機(jī)鐵耗隨時(shí)間變化曲線。

圖10 電機(jī)鐵耗

從圖10中可以看出采用普通磁性槽楔時(shí)，電機(jī)鐵耗值隨磁導(dǎo)率的增加而減小，當(dāng)采用疊片式磁性槽楔時(shí)，鐵耗值大幅減小，說(shuō)明采用疊片式磁性槽楔可以減小電機(jī)的鐵耗問(wèn)題，對(duì)于提高電機(jī)效率有所幫助。

3 結(jié) 論

通過(guò)分析磁楔的磁導(dǎo)率對(duì)氣隙磁密諧波以及定子槽漏抗的影響，得出磁導(dǎo)率越大，氣隙磁密諧波幅值越小，但是定子槽漏抗也會(huì)越大，對(duì)于疊片式磁楔，需要使用中空結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)磁橋飽和，以此減小定子槽漏抗。

對(duì)比仿真分析了疊片式磁楔和普通磁楔，發(fā)現(xiàn)疊片式磁性槽楔改善了氣隙磁密波形，降低了諧波含量，削弱了齒槽轉(zhuǎn)矩，減小了定子漏抗，同時(shí)還降低了電機(jī)鐵耗。所以，疊片式磁性槽楔更適合改善電機(jī)性能，對(duì)于大功率、開(kāi)口槽的永磁同步電機(jī)而言，具有較大的參考價(jià)值。