槽極配合與電機(jī)運(yùn)行質(zhì)量特性研究(Ⅱ)

宋 斌,王 剛，邱國(guó)平

(1.浙江眾邦機(jī)電科技有限公司，臺(tái)州 317000；2.江蘇開(kāi)璇智能科技有限公司，蘇州 215101；3.常州蓓斯特寶馬電機(jī)有限公司，常州 213011)

0 引 言

電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的槽極配合有密切的關(guān)系。也就是說(shuō)，不考慮電機(jī)結(jié)構(gòu)，僅選取適當(dāng)?shù)牟蹣O配合，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)減小。采用定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極，從電機(jī)結(jié)構(gòu)上也會(huì)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩有較大的影響。在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，可以先選取一個(gè)CT、KL較小的電機(jī)槽極配合，然后進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化電機(jī)磁路，建立優(yōu)化的電機(jī)模塊(電機(jī)不斜槽或斜極)，計(jì)算電機(jī)模塊的性能，查看計(jì)算出的電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，判斷與目標(biāo)齒槽轉(zhuǎn)矩的差距，決定是否要對(duì)電機(jī)進(jìn)行斜槽或斜極，是否對(duì)磁鋼采取極弧系數(shù)優(yōu)化、偏心削角、加厚齒高、增大氣隙等措施。在電機(jī)槽極配合優(yōu)化條件下，對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行不同斜槽的參數(shù)化分析。從中能得到槽極配合和定子不同斜槽對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。

參數(shù)化分析功能強(qiáng)大，只要在RMxprt中進(jìn)行，下面介紹12槽8極的電機(jī)參數(shù)化分析過(guò)程。

1 定子斜槽對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

定子斜槽對(duì)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩有著較大的影響，以一款12槽8極的永磁同步電機(jī)為例，其磁鋼的極弧系數(shù)為0～1，采用定子斜槽進(jìn)行參數(shù)化分析,結(jié)果如圖1所示。

圖1 12槽8極斜槽的參數(shù)化分析

電機(jī)斜槽大小不同時(shí)，其齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)有所不同。該12槽8極電機(jī)在某個(gè)斜槽數(shù)上的齒槽轉(zhuǎn)矩較小，其他地方的齒槽轉(zhuǎn)矩有不同程度的變化。由圖1可見(jiàn)，當(dāng)斜槽數(shù)為0.5和1時(shí)，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩為0，電機(jī)不斜槽時(shí)(即電機(jī)斜槽為0)，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩為15.011 3 mN·m。而斜槽數(shù)在0.5～1槽之間，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩最大為2.284 1 mN·m。

因此，電機(jī)的槽極配合確定后，采用斜槽或者斜極會(huì)進(jìn)一步削弱電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，從而改善電機(jī)的性能。通過(guò)采用定子斜槽對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的參數(shù)化分析，可以找出斜槽對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律，這對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)有較大的參考意義。

2 極弧系數(shù)對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

分?jǐn)?shù)槽集中繞組的槽極配合如表1所示，表中的下劃線表示了整數(shù)分區(qū)的分?jǐn)?shù)槽集中繞組的槽、極配合，每個(gè)槽有幾種極的配合。

表1 每對(duì)極每相平均槽數(shù)q=Z/(mp)

我們分析12槽對(duì)應(yīng)的極配合參數(shù)。

12槽有8極，10極，12極，16極4種整數(shù)分區(qū)的分?jǐn)?shù)槽集中繞組，如圖2所示。

(a) 12槽8極

對(duì)以上4種槽極配合的分?jǐn)?shù)槽集中繞組進(jìn)行參數(shù)化分析，電機(jī)極弧系數(shù)為0.5～1,齒槽轉(zhuǎn)矩與極弧系數(shù)關(guān)系如圖3所示。

(a) 12槽8極

從4種12槽不同極的參數(shù)化分析看出， 12槽8極、12槽16極的極弧系數(shù)較小時(shí)，其齒槽轉(zhuǎn)矩也小。如果提高極弧系數(shù)，磁鋼產(chǎn)生的工作磁通較大，電機(jī)在這個(gè)區(qū)域的齒槽轉(zhuǎn)矩也大，無(wú)法通過(guò)優(yōu)化電機(jī)槽、極配合來(lái)降低齒槽轉(zhuǎn)矩，必須采取其他削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的措施。

12槽10極、12槽14極有多個(gè)齒槽轉(zhuǎn)矩極小的點(diǎn),較大的極小點(diǎn)出現(xiàn)在極弧系數(shù)0.82左右，可以選取磁鋼極弧系數(shù)大于0.82，電機(jī)同時(shí)具有較大的極弧系數(shù)和較小的齒槽轉(zhuǎn)矩。

極弧系數(shù)為0.82時(shí)，4種不同槽極配合的質(zhì)量特性比較如表2所示。

表2 12槽不同極數(shù)配合的質(zhì)量特性指數(shù)比較(αp=0.82)

當(dāng)同一性能要求的電機(jī)，達(dá)到定子齒磁密、軛磁密、定子長(zhǎng)度、槽滿率基本相同，轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)相同，而電機(jī)的槽、極配合不同，則電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩相差很大。

從齒槽轉(zhuǎn)矩容忍度看，12槽10極和12槽14極是較好的選擇，適當(dāng)選擇電機(jī)的極弧系數(shù)，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩已經(jīng)足夠小，電機(jī)性能也好。12槽10極的最大輸出功率比12槽14極大，12槽10極是更好的電機(jī)槽極配合(CT=2)，選擇磁鋼極弧系數(shù)在0.82左右，則電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩較小，電機(jī)的性能也好。

如果要保證電機(jī)輸出功率最大，那么要選用12槽8極的槽極配合，但是其齒槽轉(zhuǎn)矩較大，要采用加大磁鋼的偏心及減小槽口寬等措施來(lái)減小電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，同時(shí)會(huì)減小電機(jī)的最大輸出功率。

通過(guò)以上分析可以得出結(jié)論：對(duì)于分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)，選擇較小的評(píng)價(jià)因子CT的槽極配合，可以在較大的極弧系數(shù)時(shí)，有較小的齒槽轉(zhuǎn)矩，這樣電機(jī)磁鋼產(chǎn)生較大的工作磁通，才有齒槽轉(zhuǎn)矩較小且電機(jī)性能較好的最佳效果。因此，電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)選擇適當(dāng)?shù)牟蹣O配合是非常重要的。

3 極弧系數(shù)對(duì)多槽少極電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

現(xiàn)在分析多槽少極分布繞組電機(jī)，其極弧系數(shù)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。選取18槽2極、4極、6極、12極4種槽極配合，參數(shù)化分析齒槽轉(zhuǎn)矩與極弧系數(shù)關(guān)系，如圖4和表3所示。

(a) 18槽2極

從表3可以看出，18槽分布繞組電機(jī)在極弧系數(shù)較大時(shí)(αp=0.89)，只有18槽2極、18槽4極有較小的齒槽轉(zhuǎn)矩，而18槽6極、18槽12極電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩較大。在多槽少極的分布繞組中，應(yīng)該選取CT較小的槽極配合，在同一CT中再衡量其他性能指標(biāo)，確定電機(jī)的槽極配合。

表3 18槽不同極數(shù)的質(zhì)量特性指數(shù)(極弧系數(shù)0.89)

綜上分析，不管是分?jǐn)?shù)槽集中繞組，還是多槽少極的分布繞組。我們可以選用較小CT的槽極配比，在同一CT中，選用較小的KL，再進(jìn)行電機(jī)磁鋼極弧系數(shù)的參數(shù)化分析，求取合適的槽極比和磁鋼的極弧系數(shù)，從而達(dá)到電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)地目的。