槽極配合與電機運行質量特性研究(Ⅴ)

丁旭紅，冷小強，邱國平

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

1 槽、極配合與感應電動勢

感應電動勢是電機性能參數中一個重要指標[10]，其數值的大小和波形直接影響著電機的性能。感應電動勢也是評判電機性能、取用材料和加工工藝的依據，而感應電動勢的大小及波形的正弦度與槽、極配合有很大的關系。

1.1 電機的感應電動勢

感應電動勢貫穿在電機機械特性、電機內部磁鏈和電機性能的檢驗、判斷中。由于電機的感應電動勢只與磁鏈有關，所以能準確計算。用感應電動勢和感應電動勢常數能方便和準確地考核電機的相關參數，因此，在電機設計中，有必要對電機的感應電動勢及感應電動勢常數加以重視。

1.2 感應電動勢波形討論

為了對永磁同步電機進行矢量控制，感應電動勢的波形應盡量選擇正弦波。感應電動勢波形與電機的結構有關，特別是電機轉子的磁鋼形式。

1)感應電動勢波形的平滑程度與結構有關。

永磁同步電機定子相同，轉子不同，一種是徑向內嵌式磁鋼，另一個是切向內嵌式磁鋼，第三種是表貼式偏心斜極磁鋼，圖1～圖3分別是三種電機的感應電動勢。很明顯，表貼式轉子的感應電動勢波形更接近正弦波形狀，非常平滑。

圖1 徑向內嵌式電機感應電動勢波形

圖2 切向內嵌式電機感應電動勢波形

圖3 表貼式電機感應電動勢波形

2)電機的感應電動勢受電機槽、極配合的CT、KL影響很大

同樣是12槽，一個是8極(CT=4)，一個是10極(CT=2)，感應電動勢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極感應電動勢波形

圖5 12槽10極感應電動勢波形

另外，并非電機轉子越多，感應電動勢波形越好。如12槽16極(CT=4)，其感應電動勢波形如圖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)的感應電動勢波形如圖7所示，和12槽10極(CT=2)的幾乎相同。

圖6 12槽16極感應電動勢波形

圖7 12槽14極感應電動勢波形

因此，要電機的感應電動勢波形的正弦度好，電機槽、極配合的評價因子CT就要小。

3)定子斜槽或轉子直極錯位可以提高感應電動勢的正弦度

電機的定子斜槽或轉子直極錯位對感應電動勢正弦度影響很大，下面對3 kW永磁同步電機的轉子進行變化分析。

電機直極的感應電動勢如圖8所示，此時定子槽口高和槽肩角都較小。

圖8 12槽10極內嵌式電機感應電動勢波形

如圖9所示，如果改進轉子形狀(松下電機有類似結構)，對電機的感應電動勢波形影響不大。

圖9 12槽10極內嵌式轉子凸極電機感應電動勢波形

如圖10所示，電機直極不斜槽，僅改變電機的槽口高和槽肩角，感應電動勢正弦度得到一定的改善。

圖10 12槽10極內嵌式轉子定子槽口改變感應電動勢波形

如圖11所示，電機轉子直極錯位(2段)，雖然電機槽口與槽肩角較小，但是對電機的感應電動勢正弦度的改善較好。

圖11 2槽10極內嵌式轉子2段直極錯位感應電動勢波形

因此，電機的感應電動勢波形與電機的槽、極配合，電機槽口、槽形，轉子直極錯位有相當大的關系的。

1.3 電機的空載與負載感應電動勢

1.4 電機槽、極配合的計算因子KL對感應電動勢的影響

圖12～圖14是12槽4極、12槽8極和12槽14極電機的感應電動勢比較。

圖12 12槽4極感應電動勢波形

圖13 12槽8極感應電動勢波形

圖14 12槽14極感應電動勢波形曲線

表1是三種電機感應電動勢數據對比。

表1 三種電機感應電動勢數據對比

綜上分析，電機的感應電動勢與槽、極配合有關，電機的評價因子CT相同時，電機的計算因子KL對感應電動勢的波形影響很大。計算因子KL越小，感應電動勢的幅值和波形的正弦度就越好。如果電機槽、極配合的計算因子KL大，則該電機存在著感應電動勢正弦度差的先天不足，要采取多種手段才能提高感應電動勢波形的正弦度。

1.5 感應電動勢的設置技術

內嵌式轉子的d,q軸反應電抗相差大，對電機弱磁調速起很大作用，但是在直槽時其感應電動勢波形不算太好，這樣控制器的矢量控制算法就比較復雜，要求要高；否則會帶來了振動、噪聲等問題。從上節看，改善內嵌式轉子的感應電動勢波形的正弦度，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)進行電機斜槽或轉子多段直極錯位，這是改善電機感應電動勢正弦度的最好措施。

電機的轉子磁鋼結構很大程度上影響了電機的感應電動勢的波形，這是在設計電機時應該考慮的。

1.6 測試永磁同步電機感應電動勢的性能

永磁同步電機設計后計算出電機的感應電動勢E，按設計數據進行永磁同步電機的試制，對試制的永磁同步電機進行感應電動勢的測試，如果所測出的感應電動勢E的大小與設計時的感應電動勢相差甚大，那么電機在生產中的某些環節肯定出了問題。

首先，檢查設計中是否有哪些環節出現問題；其次檢查電機的制造過程中電機結構、材料是否與設計數據相同，檢查電機繞組匝數和接線是否正確，轉子磁鋼材料是否是設計所指定的材料等等，最終會找出問題所在環節。

永磁同步電機在設計和制造過程中，必須對電機的感應電動勢有相當大的研究和關注，只要抓住了感應電動勢的主要矛盾，永磁同步電機的設計和制造就不會出現很大的偏差。