定子槽數(shù)和氣隙長度對高速永磁無刷電動機性能的影響

薛劭申，方 程，沈 圍，葛寶明，許海平

(1.北京交通大學，北京100044;2.中國科學院電工研究所，北京100190)

0 引 言

由于永磁無刷電動機具有效率高、體積小等優(yōu)點，正越來越廣泛地應用在高速泵、高速電動工具、高速磨床等加工機床，高速飛輪儲能系統(tǒng)，高速離心壓縮機和鼓風機等高速場合。

文獻［1－3］中，浙江大學沈建新等人受浙江省自然科學基金資助，研究高速直流無刷電動機，研究的功率范圍主要集中在2～3 kW，轉(zhuǎn)速范圍10 000～150 000 r/min，主要研究方向為充磁方式、轉(zhuǎn)子結構等。

沈陽工業(yè)大學受國家重點自然科學基金項目資助，主要研究內(nèi)容集中在高速永磁電機的轉(zhuǎn)子結構與強度問題、轉(zhuǎn)子動力學等方面。文獻［7－9］對他們研制的轉(zhuǎn)速60 000 r/min的高速永磁電機進行了介紹。

本文介紹了高速永磁電機設計的總體流程，提出高速永磁電機設計中的幾個關鍵問題，并分析了不同氣隙長度和定子槽數(shù)對電機性能的影響。

1 轉(zhuǎn)子設計

1.1 永磁轉(zhuǎn)子的結構和保護

轉(zhuǎn)子結構按永磁體安裝方式可分為三種:實心永磁體結構、永磁體表貼式、永磁體內(nèi)嵌式，如圖1所示。

永磁體內(nèi)嵌式是將永磁體埋入轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)，結構堅固，可承受高轉(zhuǎn)速運行時所產(chǎn)生的較大離心力［4－5］，但內(nèi)嵌式結構的永磁體分布不均勻，在高速運行時，會在永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心的邊緣處產(chǎn)生很大的應力［6］，可能對轉(zhuǎn)子鐵心或永磁體產(chǎn)生破壞。

實心永磁體結構和永磁體表貼式結構具有機械對稱性好的優(yōu)點，但由于永磁材料能承受的拉應力較小［7］(＜80 MPa)，所以為防止永磁體在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下受到巨大離心力而遭到破壞，需要在永磁體外加一層保護措施。目前常用的保護措施有兩種:一種是用碳纖維或玻璃絲綁扎永磁體，另一種是在永磁體外加一個高強度非導磁金屬護套。碳纖維綁扎帶厚度比較小，而且由于其導電性較差，所以不產(chǎn)生高頻渦流損耗。但碳纖維材料散熱性較差，轉(zhuǎn)子不易散熱，而且為了達到屏蔽諧波的目的，往往還要在綁扎帶內(nèi)加一層銅屏蔽層，這就加大了加工的難度。非導磁金屬護套可以屏蔽高次諧波，減少永磁體上的渦流損耗，而且它導熱性好，有利于轉(zhuǎn)子散熱。

1.2 極數(shù)選擇

高速電機的極數(shù)較少，一般情況下，采用2極或4 極，他們各有優(yōu)缺點［8］:

2極轉(zhuǎn)子結構簡單，便于制造，強度高。與4極轉(zhuǎn)子結構相比，2極結構電機的磁通頻率和定子電流頻率小得多，所以相應的損耗就小很多。但2極電機的最大缺點是其長度要比4極電機長得多。

4極電機比2極電機軸向長度小，但它的定子銅耗和鐵耗比2極電機大很多。

從電磁和機械角度考慮，本設計采用2極方案。

2 定子設計

2.1 定子結構

定子鐵心結構分為有槽結構和無槽結構兩種，有槽結構能減少N、S極之間的漏磁，還可以增大繞組和定子鐵心的表面接觸面積，提供了一個較低的熱阻路徑，這對繞組和轉(zhuǎn)子的散熱也很重要。

無槽結構取消了傳統(tǒng)的齒槽結構，所以電機的鐵耗只有軛部損耗而沒有齒部損耗，這樣的結構使電機鐵耗降低，但是這種結構繞組加工工藝復雜，而且無槽結構的氣隙較大［9］，永磁材料利用率低。本設計采用定子有槽結構。

2.2 槽數(shù)的選擇

文獻［10］、［11］中介紹了一些常用三相電機的極槽數(shù)配合，對無刷電機可能用到的極槽數(shù)配合給出了完整的總結。表1給出2極永磁電機幾種常用的極槽數(shù)配合。

表1 幾種常用的極槽數(shù)配合

為保持電機的反電勢不變，每相串聯(lián)匝數(shù)不改變，所以改變槽數(shù)的同時，保持槽的總面積不變，研究不同極數(shù)槽數(shù)配合對電機的影響。

3 主要尺寸的確定

3.1 主要尺寸和長徑比確定

電機的主要尺寸與計算功率、轉(zhuǎn)速、電磁負荷有關，即［12］:

3.2 齒寬和軛高的確定

在定子槽數(shù)和主要尺寸確定后，需要計算定子齒部寬度和軛部高度，計算方法如下:

齒寬:

式中:t1為齒距;Bσ為氣隙磁密;KFe為疊壓系數(shù);Bt1為齒部磁密，為了減小齒部損耗，盡量取較低值。

軛高:

式中:τ為極距;Fs為波幅系數(shù);Bj1為軛部磁密，為了減小軛部損耗，盡量取較低值。

4 設計流程

如圖2所示，設計流程包括結構設計、電磁設計、機械和熱設計三個部分。其中結構設計包括極數(shù)選擇、定轉(zhuǎn)子結構確定、繞組形式確定等。電磁設計是對電機的參數(shù)進行計算、校驗，以確定電機的各部分尺寸;機械和熱設計是對電機的機械強度、溫升進行校驗。

圖2 設計流程圖

5 分析計算與設計

5.1 電機參數(shù)

額定功率7.5 kW，額定轉(zhuǎn)速30 000 r/min，極數(shù)為2，相數(shù)為3，永磁體保護為碳纖維綁扎。

5.2 不同槽數(shù)方案對比

根據(jù)本文的設計方法，針對電機參數(shù)進行高速永磁電動機設計，建立了4種不同槽數(shù)的電機模型，如圖3所示，表2則給出了4種槽數(shù)方案的設計參數(shù)。

表2 不同槽數(shù)方案參數(shù)

其中，6槽方案節(jié)距為1，采用集中繞組結構，這種繞組端部短，有利于減小轉(zhuǎn)子軸向長度提高轉(zhuǎn)子的固有頻率［13］，適合高速運行。從主要尺寸計算公式看到，改變繞組因數(shù)會影響電機設計的主要尺寸，而為了在電機主要尺寸不變的情況下研究槽數(shù)對電機性能的影響，需要排除繞組因數(shù)的影響，所以在不同槽數(shù)方案中取不同的節(jié)距來盡量保證繞組因數(shù)不變。

5.2.1 空載計算結果及波形

對模型進行空載計算，得到空載條件下不同槽數(shù)方案的齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示，表3給出計算結果。

表3 不同槽數(shù)方案空載計算結果

計算結果表明:空載情況下，槽數(shù)越多，轉(zhuǎn)子的齒槽轉(zhuǎn)矩越小。

5.2.2 負載計算結果及波形

根據(jù)電機功率、轉(zhuǎn)速等要求，對模型進行負載計算，得到負載條件下不同槽數(shù)方案的轉(zhuǎn)子損耗波形，如圖5所示，表4給出了計算結果數(shù)據(jù)，其中轉(zhuǎn)子損耗為計算結果穩(wěn)定后一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的平均值。

表4 不同槽數(shù)方案負載計算結果

計算結果表明:額定負載情況下，隨著槽數(shù)的增多，轉(zhuǎn)子渦流損耗逐步減少。

5.3 不同氣隙長度方案對比

經(jīng)過以上方案分析，以24槽方案為例，改變其氣隙長度，研究氣隙長度對轉(zhuǎn)子損耗的影響，且為了排除氣隙磁密的影響，改變氣隙長度的同時保持氣隙磁密幅值不變。表5給出空載條件下計算結果。

表5 不同氣隙長度對電機影響

不同氣隙長度方案對比的結果表明，空載條件下，轉(zhuǎn)子損耗隨氣隙增大而減小。氣隙長度達到2 mm后，再增加氣隙磁密，對轉(zhuǎn)子損耗的削弱效果不明顯。

6 結 論

本文總結了高速永磁無刷電動機的設計流程，討論了高速永磁無刷電動機設計的幾個關鍵問題，通過計算分析研究了定子槽數(shù)和氣隙長度對高速永磁無刷電動機的轉(zhuǎn)子損耗及齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。得出以下幾點結論:

(1)轉(zhuǎn)子結構設計方面，2極轉(zhuǎn)子結構簡單，便于制造，強度高。與4極轉(zhuǎn)子結構相比，2極結構電機的磁通頻率和定子電流頻率小得多，所以相應的損耗就小很多。

(2)永磁體結構方面，表貼式結構具有機械對稱性好、安裝方便、成本較低等優(yōu)點，在高速永磁電機的設計中較為常用，所以本設計采用了表貼式永磁體結構。

(3)空載條件下，槽數(shù)越多，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩脈動越小。額定負載情況下，隨著槽數(shù)的增多，轉(zhuǎn)子渦流損耗逐步減少。

(4)空載條件下，轉(zhuǎn)子損耗隨氣隙增大而減小。同時。氣隙長度達到2 mm后，再增加氣隙長度，對轉(zhuǎn)子損耗的削弱效果不明顯。

［1］沈建新，費偉中，陳利根.氣隙磁場波形及磁瓦充磁方式對無刷直流電動機性能的影響［J］.微特電機，2006(6):7－9.

［2］周鳳爭，沈建新，林瑞光.從電機設計的角度減少高速永磁電機轉(zhuǎn)子損耗［J］.浙江大學學報，2007，41(9):1588 －1591.

［3］周鳳爭，沈建新，王凱.轉(zhuǎn)子結構對高速無刷電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響［J］.浙江大學學報，2008，42(9):1588 －1590.

［4］余莉.高速永磁無刷直流電機性能分析與設計的研究［D］.南京:東南大學，2007.

［5］Hippner M，Harley R G.Looking for an optimal rotor for high －speed permanent－ magnet synchronous machine［C］//Industry Application Society Annual Meeting，Conference Recond of the 1992 IEEE.1992，1:265 －270.

［6］Binder A，Schneider T，Klohr M.Fixation of Buried and murfacemounted magnets in high－speed permanent－ magnet synchronous machines［J］.IEEE Transactions On Industy Applications，2006，42(4):1031－1037.

［7］王繼強，王鳳翔，鮑文博，等.高速永磁電機轉(zhuǎn)子設計與強度分析［J］.中國電機工程學報，2005，25(15):140.

［8］王鳳翔.高速電機的設計特點及相關技術研究［J］.沈陽工業(yè)大學學報，2006，28(3):258 －264.

［9］王繼強.高速永磁電機的機械和電磁特性研究［D］.沈陽:沈陽工業(yè)大學，2007.

［10］Hendershot J R，Miller T J E.Design of brushless permanent magnet motors［M］.Magna Physics Publishing ＆ Clarendon Press，1994.

［11］Zhu Z Q，Xia Z P，Wu L J，et al.Influence of Slot and Pole Number Combination on Radial Force and Vibration Modes in Fractional Slot PM Brushless Machines Having Single－and Doublelayer Windings［C］//IEEE Energy Conversion Congress and Exposition，San Jose.2009:3316 －3323.

［12］陳世坤.電機設計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000:10－17.

［13］周鳳爭，沈建新，王凱，等.高速永磁無刷直流電動機拓撲結構的研究［J］.微特電機，2007(10):1－3.