電機(jī)槽極配合與電機(jī)運行質(zhì)量特性研究(Ⅵ)

左昱昱,儲建華，邱國平

(1.蘇州綠的諧波傳動科技股份有限公司，蘇州 215101；2.江蘇開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)

1 槽、極配合與電機(jī)諧波

1.1 諧波的基本介紹

如果一個正弦波電壓或電流發(fā)生了畸變，我們可以用一個標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓疊加多個不同頻次的正弦波電壓來表示，這個標(biāo)準(zhǔn)的正弦波稱為基波，其他不同頻次的波形稱為諧波。如圖1所示，通過傅里葉級數(shù)分解，可以認(rèn)為電機(jī)的電流波形由一個基波和兩個諧波疊加而成。

圖1 電機(jī)的波形分解

基波頻率與原波形的頻率相同，諧波頻率與基波頻率的比值稱為諧波次數(shù)。諧波頻率比基波頻率高，是基波頻率的整數(shù)倍，所以諧波是一種高次波。

永磁同步電機(jī)一般采用正弦波控制的三相電源，理論上電機(jī)輸入的電壓和電流應(yīng)該是理想的正弦波。但是由于各種原因，如電機(jī)氣隙磁場的畸變、電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化、電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩等，引起輸入永磁同步電機(jī)的的電壓和電流發(fā)生了畸變，含有大量的高次諧波。

諧波會對電機(jī)運行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，使電機(jī)運行時產(chǎn)生振動、噪聲和溫升，因此削弱電機(jī)的諧波是非常重要的。

1.2 電機(jī)諧波的影響因素

12槽10極的感應(yīng)電動勢波形的正弦度比12槽8極的要好得多，12槽8極的評價因子CT=4，12槽10極的評價因子CT= 2，不是同一級別，因此評價因子CT可以作為判斷電機(jī)高次諧波對電機(jī)影響的依據(jù)之一，但是在設(shè)計時還需對電機(jī)進(jìn)一步用軟件進(jìn)行諧波分析為妥。

另外，電機(jī)的諧波與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，諧波越大。電機(jī)高次諧波對電機(jī)轉(zhuǎn)矩沒有太大影響，但高次諧波電流會使電機(jī)轉(zhuǎn)矩有效值增加，電機(jī)的損耗就大，因此減少電機(jī)的高次諧波對電機(jī)性能是有很大的好處的。

如果電機(jī)的氣隙磁密波形是正弦波，電機(jī)的控制器比較優(yōu)良，產(chǎn)生的電流諧波較少，設(shè)計時注意電機(jī)的感應(yīng)電動勢波形、電機(jī)繞組導(dǎo)體的電壓波形，減小電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的諧波就能夠減到很小，特別是5、7次高次諧波，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動、噪聲、溫升就會得到較大的改善。

1.3 削弱電機(jī)高次諧波的方法

在永磁同步電機(jī)中，由于控制原因，控制器廠家要求電機(jī)的感應(yīng)電動勢波形的正弦度要好，即電機(jī)的高次諧波要少。電機(jī)設(shè)計師在設(shè)計時應(yīng)該選取評價因子CT較小的槽、極配合，以降低電機(jī)的高次諧波，提高電機(jī)的感應(yīng)電動勢波形的正弦度，電機(jī)運行良好。當(dāng)然，可以采用其他辦法，如改變電機(jī)磁鋼的形狀等，使感應(yīng)電動勢波形正弦度得到改善，從而減小電機(jī)的高次諧波。

如圖2所示，12槽8極電機(jī)存在3、5、7、11、13等次諧波，特別是5、7次諧波明顯。

圖2 12槽8極同半徑磁鋼的電流諧波

如果對磁鋼進(jìn)行偏心設(shè)置，電機(jī)的諧波基本削弱為0，如圖3所示，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動會很小。

圖3 12槽8極磁鋼偏心后的電流諧波

在電機(jī)試制樣品后必定要測定電機(jī)的感應(yīng)電動勢，看其波形是否與設(shè)計時的感應(yīng)電動勢波形要求相近?是否達(dá)到設(shè)計的預(yù)期?如果實際感應(yīng)電動勢波形與設(shè)計結(jié)果不符，那么必須進(jìn)行多方面的檢查及某些結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

2 槽、極配合與電機(jī)最大輸出功率

2.1 電機(jī)的槽極比

作者提出槽極比的觀點，即電機(jī)體積和“裂比”相同時，不同的電機(jī)槽極比對電機(jī)性能有著較大的影響。

2.2 槽數(shù)相同，極數(shù)減少，最大輸出功率增加

永磁同步電機(jī)槽數(shù)相同，極數(shù)遞增，電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩變化，用12槽8極、12槽10極、12槽14極、12槽16極討論。永磁同步電機(jī)額定點都能達(dá)到，主要觀察電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩大小。

電機(jī)定子外徑、內(nèi)徑(裂比)相同，電機(jī)長度相同，在齒磁密、軛磁密相同的條件下，繞組在全繞組條件、并聯(lián)支路數(shù)相同，繞組槽滿率相同，確保電機(jī)感應(yīng)電動勢相同。

電機(jī)設(shè)計時，一般按以上原則設(shè)計，即在電機(jī)定子外徑確定后，確定定子內(nèi)徑，(裂比確定)，然后選擇定子槽數(shù)，確定齒、軛磁密，這樣確定電機(jī)定子沖片形狀，電機(jī)的槽滿率、電流密度是設(shè)計目標(biāo)值。

在電機(jī)設(shè)計時，定子外徑和裂比確定后，必須選擇電機(jī)的槽數(shù)，槽數(shù)關(guān)系到電機(jī)加工工藝和電機(jī)性能。確定電機(jī)槽數(shù)后電機(jī)極數(shù)少些為好，并選擇一個電機(jī)繞組系數(shù)高、CT，KL小的槽極配合，這樣，電機(jī)最大輸出功率高，齒槽轉(zhuǎn)矩小。

槽數(shù)相同、極數(shù)不同時，電機(jī)性能比較如表1所示。可見，槽數(shù)相同，極數(shù)越少，電機(jī)的槽極比越大，則電機(jī)最大輸出功率越大。

表1 槽數(shù)相同極數(shù)不同的性能比較

1.3 極數(shù)確定，槽數(shù)增加，最大輸出功率增加

極數(shù)相同，槽數(shù)不同時，電機(jī)性能比較比較如表2所示。可見，極數(shù)相同，槽數(shù)越大，電機(jī)的輸出功率越大。

表2 16極不同槽數(shù)的最大輸出功率比較

綜合表1和表2，槽數(shù)和極數(shù)相差越大，電機(jī)的最大輸出功率越大。因此，電機(jī)設(shè)計時，應(yīng)先選極數(shù)，再選盡量多的槽數(shù)。