丁旭紅，冷小強(qiáng)，邱國(guó)平

(1.常州旭泉精密電機(jī)有限公司，常州 213011；2.中電科機(jī)器人有限公司，上海 200233；3.常州亞美柯寶馬電機(jī)有限公司，常州 213011)

1 槽、極配合與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是電機(jī)性能參數(shù)中一個(gè)重要指標(biāo)[10]，其數(shù)值的大小和波形直接影響著電機(jī)的性能。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也是評(píng)判電機(jī)性能、取用材料和加工工藝的依據(jù)，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小及波形的正弦度與槽、極配合有很大的關(guān)系。

1.1 電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)貫穿在電機(jī)機(jī)械特性、電機(jī)內(nèi)部磁鏈和電機(jī)性能的檢驗(yàn)、判斷中。由于電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)只與磁鏈有關(guān)，所以能準(zhǔn)確計(jì)算。用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)常數(shù)能方便和準(zhǔn)確地考核電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，因此，在電機(jī)設(shè)計(jì)中，有必要對(duì)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)常數(shù)加以重視。

1.2 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形討論

為了對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行矢量控制，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形應(yīng)盡量選擇正弦波。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形與電機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，特別是電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁鋼形式。

1)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形的平滑程度與結(jié)構(gòu)有關(guān)。

永磁同步電機(jī)定子相同，轉(zhuǎn)子不同，一種是徑向內(nèi)嵌式磁鋼，另一個(gè)是切向內(nèi)嵌式磁鋼，第三種是表貼式偏心斜極磁鋼，圖1～圖3分別是三種電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。很明顯，表貼式轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形更接近正弦波形狀，非常平滑。

圖1 徑向內(nèi)嵌式電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

圖2 切向內(nèi)嵌式電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

圖3 表貼式電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

2)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)受電機(jī)槽、極配合的CT、KL影響很大

同樣是12槽，一個(gè)是8極(CT=4)，一個(gè)是10極(CT=2)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形的正弦度是不一樣的。比較如圖4、圖5所示。

圖4 12槽8極感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

圖5 12槽10極感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

另外，并非電機(jī)轉(zhuǎn)子越多，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形越好。如12槽16極(CT=4)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形如圖6所示，和12槽8極(CT=4)的波形正弦度一樣。而12槽14極(CT=2)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形如圖7所示，和12槽10極(CT=2)的幾乎相同。

圖6 12槽16極感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

圖7 12槽14極感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

因此，要電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形的正弦度好，電機(jī)槽、極配合的評(píng)價(jià)因子CT就要小。

3)定子斜槽或轉(zhuǎn)子直極錯(cuò)位可以提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正弦度

電機(jī)的定子斜槽或轉(zhuǎn)子直極錯(cuò)位對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正弦度影響很大，下面對(duì)3 kW永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行變化分析。

電機(jī)直極的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖8所示，此時(shí)定子槽口高和槽肩角都較小。

圖8 12槽10極內(nèi)嵌式電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

如圖9所示，如果改進(jìn)轉(zhuǎn)子形狀(松下電機(jī)有類似結(jié)構(gòu))，對(duì)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形影響不大。

圖9 12槽10極內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子凸極電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

如圖10所示，電機(jī)直極不斜槽，僅改變電機(jī)的槽口高和槽肩角，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正弦度得到一定的改善。

圖10 12槽10極內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子定子槽口改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

如圖11所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子直極錯(cuò)位(2段)，雖然電機(jī)槽口與槽肩角較小，但是對(duì)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正弦度的改善較好。

圖11 2槽10極內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子2段直極錯(cuò)位感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

因此，電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形與電機(jī)的槽、極配合，電機(jī)槽口、槽形，轉(zhuǎn)子直極錯(cuò)位有相當(dāng)大的關(guān)系的。

1.3 電機(jī)的空載與負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

1.4 電機(jī)槽、極配合的計(jì)算因子KL對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響

圖12～圖14是12槽4極、12槽8極和12槽14極電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比較。

圖12 12槽4極感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

圖13 12槽8極感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

圖14 12槽14極感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形曲線

表1是三種電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)對(duì)比。

表1 三種電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)對(duì)比

綜上分析，電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與槽、極配合有關(guān)，電機(jī)的評(píng)價(jià)因子CT相同時(shí)，電機(jī)的計(jì)算因子KL對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形影響很大。計(jì)算因子KL越小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值和波形的正弦度就越好。如果電機(jī)槽、極配合的計(jì)算因子KL大，則該電機(jī)存在著感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正弦度差的先天不足，要采取多種手段才能提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形的正弦度。

1.5 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的設(shè)置技術(shù)

內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子的d,q軸反應(yīng)電抗相差大，對(duì)電機(jī)弱磁調(diào)速起很大作用，但是在直槽時(shí)其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形不算太好，這樣控制器的矢量控制算法就比較復(fù)雜，要求要高；否則會(huì)帶來(lái)了振動(dòng)、噪聲等問(wèn)題。從上節(jié)看，改善內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形的正弦度，可以從如下方面著手：

1)選用CT,KL較小的槽、極配合；

2)增加槽口高和增大槽肩角，減小磁密的飽和度；

3)進(jìn)行電機(jī)斜槽或轉(zhuǎn)子多段直極錯(cuò)位，這是改善電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正弦度的最好措施。

電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)很大程度上影響了電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形，這是在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)應(yīng)該考慮的。

1.6 測(cè)試永磁同步電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的性能

永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)后計(jì)算出電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，按設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行永磁同步電機(jī)的試制，對(duì)試制的永磁同步電機(jī)進(jìn)行感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的測(cè)試，如果所測(cè)出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小與設(shè)計(jì)時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相差甚大，那么電機(jī)在生產(chǎn)中的某些環(huán)節(jié)肯定出了問(wèn)題。

首先，檢查設(shè)計(jì)中是否有哪些環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題；其次檢查電機(jī)的制造過(guò)程中電機(jī)結(jié)構(gòu)、材料是否與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相同，檢查電機(jī)繞組匝數(shù)和接線是否正確，轉(zhuǎn)子磁鋼材料是否是設(shè)計(jì)所指定的材料等等，最終會(huì)找出問(wèn)題所在環(huán)節(jié)。

永磁同步電機(jī)在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，必須對(duì)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有相當(dāng)大的研究和關(guān)注，只要抓住了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的主要矛盾，永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造就不會(huì)出現(xiàn)很大的偏差。