基于12槽10極永磁電機槽極數及轉子磁路結構的研究

鞠宇寧，徐忠義，張東寧，施楊華

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

近年來，隨著新材料、新工藝的發展以及機械加工能力的提高，分數槽永磁無刷直流電動機憑借其低定位轉矩、高效率、高功率密度等優點，在各種家用電器、IT設備等小功率場合和直驅大功率場合中得到廣泛應用。

槽極組合是電機設計的關鍵參數，其選擇直接影響電機性能的優劣、電機加工的成本及難易程度。分數槽繞組技術在解決電機極數與槽數之間矛盾的同時，為永磁無刷直流電動機的設計提供了更多的可能性。已經有眾多的國內外文獻對如何選擇槽極組合進行了深入的研究。文獻[1-2]研究了無刷直流電動機分數槽繞組的相數m、槽數z、極對數p等設計參數之間的相互關系和約束條件。文獻[3-4]專題系列研究了槽極組合對齒槽轉矩、不平衡磁拉力、繞組磁勢諧波、紋波轉矩的影響。文獻[5]定性給出不同槽極組合齒槽轉矩的評判標準、定子磁勢諧波和紋波轉矩的評價指標，并給出分數槽集中繞組的一種選擇指標：0.5<槽數/極數<1。文獻[6]從繞組系數、鐵心利用率、凸極率和弱磁能力等多個角度對比了分數槽集中繞組和整數槽分布繞組的差別。

根據磁鋼在轉子鐵心中的位置和充磁方式的不同，可以將轉子磁路結構分為表貼式、內置徑向式、內置切向式(國外稱為Spoke型)、內置混合式[7]。每種轉子磁路結構各有其特點，文獻[8]分別對比了表貼式和內置徑向式電機的性能指標，但對比的電機尺寸不同。文獻[9]分析了內置徑向式和內置切向式兩種轉子磁路結構的特點，但對比方案的磁鋼用量差別較大。

綜合考慮電機的性能要求和生產加工，如何更好、更快地選擇合適的槽極組合和轉子磁路結構是電機設計的關鍵。本文在前人研究的基礎上，以12槽10極、表貼式轉子電機作為初始方案，以輸出轉矩作為設計指標，從槽極組合和轉子磁路結構的角度設計4組具有代表性的組合方案進行對比，這4組方案分別是：24槽10極，表貼式轉子；12槽14極，表貼式轉子；12槽10極，內置徑向式轉子；12槽10極，內置切向式轉子。

1 初始方案

1.1 主要設計參數

根據控制變量法的基本原則，本文研究的自變量有轉子極數、定子槽數和轉子磁路結構，除此之外其它設計參數、材料盡可能保持一致。初始方案的主要設計參數如表1所示。

表1 初始方案主要設計參數

1.2 評判指標

為對比不同方案之間的差異，評判指標不能選擇齒槽轉矩、轉矩脈動、諧波畸變率等對結構參數敏感的參數。

本文選擇繞組相電流、相電阻、定子沖片截面積、磁鋼截面積以及定子齒部、軛部磁密作為各方案之間的評判指標，初始方案的評判指標如表2所示。

表2 初始方案的評判指標

2 不同槽極組合

本文是通過對比分析僅改變極數或僅改變槽數來研究不同槽極組合對設計和性能的影響。

2.1 僅改變槽數

為改變槽數的同時不降低繞組系數，改變槽數的原則是增大繞組節距。方案1的槽極組合選為24槽10極，繞組采用的是節距為2的分數槽分布繞組，繞組系數僅由0.933降至0.925；轉子側設計與初始方案相同。按照表1的要求設計，方案1的輸出轉矩為3.81 N·m，槽滿率46%，與初始方案的對比結果如表3所示。

表3 方案1與初始方案對比

通過表3可以看出，兩方案在輸出相同轉矩的情況下所需電流相同，定子齒部和軛部的磁密大小基本一致。方案1采用分布繞組后，相電阻更小，定子齒部寬度隨槽數增加而減小，定子沖片截面積因軛部加寬而增大。對比圖1和圖2還可以看出，采用分布繞組后鐵心的利用率得到提高。

圖1 初始方案磁密分布云圖

圖2 方案1磁密分布云圖

2.2 僅改變極數

初始繞組方案為12槽集中繞組，在不降低繞組系數的前提下，方案2選擇的極數為14極，其繞組系數不變；定子側設計與初始方案相同。按照表1的要求設計，方案2的輸出轉矩為3.80 N·m，槽滿率49%，與初始方案的對比結果如表4所示。

表4 方案2與初始方案對比

通過表4和圖3可以看出:方案2與初始方案相比，磁鋼截面積相差不大，但磁鋼的利用率得到提高；輸出相同轉矩所需的電流有所下降，定子齒部和軛部的磁密下降幅度較大，定子鐵心可以進一步縮小。

圖3 方案2磁密分布云圖

3 不同轉子磁路結構

與表貼式轉子相比，內置徑向式轉子和內置切向式轉子的特點有：

1)漏磁偏大，等量磁鋼提供的有效磁通偏??；

2)d軸電感不等于q軸電感，由此可利用其凸極效應產生的磁阻轉矩來提高電機的轉矩密度。但對于分數槽集中繞組電機，其單個齒上的繞組匝數多，削弱了內置式轉子的凸極效應[6]；

3)能夠防止磁鋼在高速下因離心力而脫落；

4)磁鋼位于轉子鐵心內部，其產生渦流損耗更小。

3.1 內置徑向式轉子

方案3是在初始方案的基礎上，定子側設計不變，僅將表貼式轉子改為內置徑向式轉子。按照表1的要求設計，方案3的輸出轉矩為3.80 N·m，槽滿率49%，與初始方案的對比結果如表5所示。

表5 方案3與初始方案間對比

方案3與初始方案相比，磁鋼用量相當，但磁鋼漏磁增加，每極提供的有效磁通減少，因此輸出相同的轉矩需要更大的電流。

表5中，電流7.7 A對應電流角為16°，此時利用磁阻轉矩使輸出轉矩滿足要求,在電流角為0時，僅依靠電磁轉矩輸出指定轉矩，需要的電流為8.2 A。不同電流角對應的磁密分布如圖4所示。對比圖4(a)和圖4(b)可以看出，通過增大電流的方式來增加輸出轉矩，易導致定子齒部和軛部磁密升高，不利于電機的過載。

圖4 方案3磁密分布云圖

3.2 內置切向式轉子

方案4與方案3類似，將轉子改為內置切向式結構。本文根據切向式轉子的磁鋼在靠近轉軸處側漏磁大的特點，將每個磁鋼劃分為兩部分，對應部分分別使用高牌號和低牌號兩種磁鋼。高牌號磁鋼負責提供有效磁通，低牌號磁鋼負責提供漏磁通以填充漏磁路。按照表1的指標設計，方案4的輸出轉矩為3.80 N·m，槽滿率49%，與初始方案之間的對比結果如表6所示。

表6 方案4與初始方案間對比

表6中，磁鋼截面積的39和15分別對應N40UH和N35UH磁鋼的截面積。鑒于內置切向式轉子的凸極率也大于1，對方案4的分析也對應有電流角為0和15°兩種情況，表6中電流6.8 A對應的電流角為15°。當電流角為0時，輸出指定轉矩需要的電流與初始方案一致，為7.05 A。不同電流角對應的磁密分布如圖5所示。

圖5 方案4磁密分布云圖

內置切向式轉子的每極磁通由兩個磁鋼提供，因此每極有效磁通有所增加，但對應靠近轉軸側的漏磁增加，圖5(a)能夠看到漏磁路的位置和漏磁通走向，因此需要采取合理的設計減少漏磁。從結果來看，方案4在滿足輸出轉矩的情況下，若不借助磁阻轉矩，電流仍保持在7.05 A，借助磁阻轉矩后，電流可以進一步減小到6.8 A。對比圖5(a)和圖5(b)可以間接看出，由于每極磁通的增加，定子齒部和軛部的磁密更高，此時設置合理的電流角既可以降低定子齒部和軛部的磁密，又可以借助磁阻轉矩提高電機的輸出能力。

4 分 析

本文以12槽10極表貼式永磁無刷直流電動機作為研究對象，從改槽數、改極數、改轉子磁路結構三個角度出發，設計了4種設計階段可能采用的方案組合，并研究了每種方案各自的特點。

方案1采用了節距大于1的分布繞組。采用分布繞組的潛在優勢是在一定程度上消除繞組諧波，降低氣隙磁密的畸變率，從而改善轉矩脈動和鐵耗，但相應地，定子軛部經過的磁通增加，軛部寬度比采用集中繞組方案的更寬，定子鐵心用量增加。此外，分布繞組不利于機械自動化繞線，在一定程度上增加了生產成本；定子齒部寬度過窄還可能影響沖床的刀具壽命以及沖片性能。綜上可知，方案1適合用于降低諧波來優化氣隙磁密波形，以抑制轉矩脈動、鐵耗以及人工繞線的場合，不適用于對質量有要求的場合。

方案2采用了改變極數的方法。初始方案的槽數大于極數，方案2的極數大于槽數，但繞組系數和磁鋼用量保持不變。從最終效果看，極數的增加使得磁鋼的利用率得到提高，電機電流相應減小，鐵心內磁密幅值明顯下降，鐵心質量有較大優化空間。因此可以看出，方案2的設計思路更適用于對電機質量、損耗有要求的高效、高功率密度場合。

方案3和方案4均是改變了轉子磁路結構，由凸極率為1的表貼式轉子改為凸極率大于1的內置式轉子。方案3轉子側磁鋼漏磁大，導致其輸出性能偏差，需要利用磁阻轉矩和增大電流的方式才能滿足輸出轉矩要求，而電流的增大使得鐵心的整體磁密幅值也有所提高，從而限制了電機過載能力的提高；方案4在靠近轉軸側也存在較大漏磁，本文采用低牌號磁鋼填補漏磁路、高牌號磁鋼提供有效磁通的方案解決漏磁大的問題，最終效果是在不改變電流的情況下滿足輸出轉矩要求，利用磁阻轉矩后電流可進一步縮小。綜上可以看出，針對方案3和方案4轉子磁路漏磁較大的問題，可以分別采用增大電流和減少漏磁的方式增大輸出轉矩，但方案3的鐵心容易飽和，因此方案3不適用于大轉矩、經常有過載需求的場合。根據轉子磁路結構特點，方案3和方案4均適用于高速輕載的場合。

5 結 語

本文借助以上對比分析，旨在縮短設計階段的方案選擇周期，以提高產品設計效率。以上各方案相比初始方案分別僅改變了槽數、極數和轉子磁路結構，通過對比結果可以得到每種方案各自的特點。基于此可以根據實際需求將以上方案互相組合，從而快速獲得滿足實際需求的設計方案。