基于定子磁障的分數槽集中繞組永磁同步電機應用設計與分析*

江景成, 施振川, 林曉剛, 鄭慶圭, 解 偉

(1. 中國科學院福建物質結構研究所，福建 福州 350002; 2. 中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

內置式永磁同步電機(IPMSM)因其高效率，高轉矩密度和寬調速范圍等優點,廣泛應用于電動交通工具的驅動系統[1]。近年來，分數槽集中式繞組(FSCW)在IPMSM中的應用受到越來越多的關注，與分布式繞組相比，具有繞線成本低，槽滿率高，端部繞組短，銅耗低，以及效率高等諸多優勢[2-3]。此外，FSCW還具有高容錯性和弱磁性能好等優點[4]。但是，FSCW產生的定子磁場中含有豐富的空間諧波，特別是低次諧波。非工作諧波會帶來局部鐵心飽和、永磁體中的渦流損耗以及噪聲和振動等問題，且轉子散熱困難，易造成永磁體退磁風險[5-7]。上述缺點限制了集中式繞組永磁電機性能的進一步提高。

為提升集中式繞組永磁電機的性能，近年來已有大量旨在減少甚至消除低次諧波含量的研究。由于磁動勢諧波是由定子繞組產生的，這些研究主要集中于繞組配置的優化。多層繞組(通常每個槽多于2層)可以減少磁動勢中的低次諧波分量，從而降低轉矩脈動和轉子損耗，但同時也減小了工作諧波的繞組系數，并且增加了定子繞線難度[8-9]。文獻[10]采用每個線圈側不同匝數的繞組減小低次諧波。文獻[11-12]的解決方案是通過增加定子槽數并使用2套繞組，但2套定子繞組也增加了制造成本和絕緣難度。文獻[13]設計了一種星-三角混合的繞組連接方式，通過改變繞組因數來降低低次諧波。

以上方法均通過改變繞組配置來減少磁動勢空間諧波含量。文獻[14]從鐵心出發，設計了一種定子磁障的方法，使1次諧波減小70%以上，但未分析磁障對噪聲振動的影響。定子鐵心的徑向變形是電機振動和噪聲的主要原因，定子磁障的設計改變了傳統電機的定子鐵心結構，因此有必要分析其徑向電磁力，探究對噪聲振動的影響。

本文分別計算12槽14極永磁同步電機(PMSM)單、雙層繞組的繞組系數，使用ANSYS Maxwell軟件，運用有限元法對采用定子磁障的單層繞組12槽14極電機進行建模和電磁仿真。仿真結果表明，定子磁障設計在有效削減繞組磁動勢低次諧波，減小鐵心損耗21.1%的同時，減小低階徑向電磁力密度20%以上，有利于抑制電機的振動及噪聲。此外，該技術還具有其他優點，例如定子鐵心模塊化加工與安裝，以及在磁障中加入散熱導管或水道以實現高效的定子冷卻[15-17]。

1 傳統12槽14極電機

1.1 繞組系數計算

采用FSCW的傳統12槽14極IPMSM如圖1所示，分別有單層繞組和雙層繞組2種定子繞組結構，電機具體參數如表1所示。

圖1 傳統12槽14極電機

表1 電機主要參數

不同的極槽配合決定了集中式繞組的繞組布局和繞組系數，根據FSCW的繞組系數公式[18]:

Kwv=KdvKpv

(1)

FSCW與傳統整數槽繞組的分布系數計算公式有所不同，其v次諧波分布系數計算公式[19]為

(2)

根據式(1)、式(2)，可以計算得到傳統12槽14極電機的單、雙層繞組的5次、7次諧波繞組系數，如表2所示。對比可得單層繞組的繞組系數比雙層繞組高了3.3%。

表2 繞組系數

此外，與雙層繞組相比，單層繞組具有更大的自感，這有利于減小故障時的沖擊電流，也有利于提高弱磁能力[20-22]。因此，當需要高基波繞組系數和高容錯能力時，單層繞組是更好的選擇，且加工成本也更低。

1.2 磁動勢諧波分析

對傳統12槽14極電機的單、雙層繞組磁動勢諧波分別進行傅里葉分解，并以7次諧波幅值為基準值進行標幺化處理，得到的結果如圖2所示。從圖2中可以看出，該定子繞組類型的主要空間諧波為1、5、7、17和19次諧波。

圖2 傳統12槽14極電機磁動勢分析

為了最大化轉矩密度，通常采用幅值最高的5次或7次諧波用作工作諧波，即采用10極或14極轉子。由于12槽14極電機的槽極數最小公倍數大于12槽10極，因此12槽10極的齒槽轉矩更大[23]。為了減小齒槽轉矩，這里采用14極轉子，故只有7次諧波才能與永磁體磁場相互作用，產生連續轉矩。其他階次的諧波，尤其是1、5、17等具有較大幅度的諧波，對轉矩輸出沒有貢獻，只能帶來額外的轉子損耗，并引起噪聲和振動問題。

2 定子磁障設計

12槽14極電機采用單層繞組時，具有高基波繞組系數、高容錯能力和低加工成本等優點，但低次諧波含量豐富，其中1次諧波幅值較高。

對于12槽14極單層繞組電機，通過在定子鐵心上的非繞線齒中開槽，用磁導率較小的材料作為“T型”定子磁障進行填充，從而減小1次諧波磁通。定子磁障通過在定子鐵心非繞線齒中開槽，并加入低磁導率材料，改變定子鐵心結構，形成磁障，增大低次諧波的磁路磁阻，實現對低次諧波的抑制。磁障軸線與定子齒軸線重合，寬度小于定子齒寬，磁障定子外圓一側比內圓一側略寬，便于在鐵心中固定裝備，因此為“T型”。當其寬度占齒寬20%～50%時，對諧波的抑制及基波的提升效果最佳[24]。

定子磁隙效果如圖3所示，定子磁障的設計為分塊定子的加工帶來便利。另外，也可以考慮在定子磁障中加入液冷導管等冷卻設計，不需要額外的獨立于電機本身的散熱部件，有利于減小電機的體積，增大功率密度。

圖3 定子磁障效果圖

3 有限元分析

利用ANSYS Maxwell仿真軟件對加入定子磁障后的12槽14極單層繞組電機進行有限元建模，為了對比控制變量，建模參數采用與表1中傳統電機相同的數值。

3.1 繞組磁動勢分析

做以下理想假設以簡化分析：(1)電流集中于槽中心線；(2)氣隙均勻；(3)忽略磁飽和。

當通入幅值I=30 A，頻率為175 Hz的正弦交流電流時，計算傳統型與定子磁障型12槽14極單層繞組電機的氣隙磁密，并進行傅里葉分解，得到的結果如圖4所示。

圖4 磁動勢對比圖

1次諧波下降了87%，3次諧波下降了84%，5次諧波下降了30%，而7次工作諧波幅值提高了2%。因此，定子磁障設計能有效抑制低次諧波的含量，有利于減小鐵心損耗，另外工作諧波也稍有提升。

3.2 電磁轉矩分析

在幅值I=30 A，頻率為175 Hz的正弦交流電流激勵下，對比傳統電機與定子磁障型12槽14極電機的電磁轉矩，結果如圖5所示。平均電磁轉矩均為3.4 N·m，幾乎不變，轉矩脈動降低6%。

圖5 電磁轉矩對比圖

3.3 鐵心損耗分析

在同樣的定子電流激勵下，分別對比傳統與定子磁障型12槽14極電機的定子及轉子鐵心損耗，結果如圖6所示。定子鐵損減小了19.7%，轉子鐵損減小了31.3%，鐵心損耗共減小了21.1%。

圖6 鐵心損耗對比圖

3.4 徑向電磁力分析

電磁噪聲是電機主要振動噪聲源，由氣隙磁場中各次諧波作用于鐵心產生的徑向電磁力所造成。如果電磁力的某些階次諧波頻率與電機的固有頻率相近，則會產生共振，從而產生較大的振動和噪聲，甚至損壞電機。一般情況下，轉子剛度相對較強，定子鐵心的徑向變形是振動和噪聲的主要來源。定子在低階徑向電磁力的作用下，發生形變，引起周圍空氣振動，從而產生噪聲[25]。定子磁障設計改變了傳統12槽14極電機定子鐵心的結構，因此有必要研究其徑向電磁力，探究新結構對噪聲振動的影響。利用仿真得到的氣隙磁密，根據麥克斯韋應力張量法，計算出徑向電磁力密度：

(3)

得到的結果及傅里葉分解后的結果如圖7所示，徑向電磁力密度主要為偶數次諧波，定子磁障型電機比傳統電機，低階徑向力除4次諧波略有增加，其余全部減小，0、2、6、8次諧波分別減小了20.4%、58.2%、20.6%和71.5%。由于電機的電磁噪聲主要由低階的徑向電磁力產生，新的結構能有效降低電磁噪聲及振動。

圖7 徑向電磁力密度對比圖

4 結 語

本文針對一款12槽14極單層繞組PMSM，存在繞組磁動勢低次諧波含量高的問題，研究其在定子非繞線齒中加入磁障的方法，以達到降低低次諧波，減小鐵心損耗及優化噪聲和振動的目的。仿真結果顯示，定子磁障結構對低次諧波的抑制效果明顯，1、3、5次諧波分別下降了87%、84%和30%，轉矩脈動減小了6%，鐵心損耗減小了21.1%。此外，定子磁障還減小了低階徑向電磁力密度20%以上，有利于抑制電機的振動及噪聲。