次諧波降低對分數槽集中繞組電機轉子損耗的影響

宋 驕，吳 曉

(南通大學，南通 226019)

0 引 言

分數槽集中繞組永磁電機具有繞組端部短的優點，可以有效地減小電機的銅耗、銅重和端部效應[1-2]，而且分數槽集中繞組永磁電機較多的極對數可以減小定轉子軛部的厚度，有利于減輕軛部的鐵心質量[3]。此外，分數槽集中繞組還具有功率密度大、效率高、槽滿率大、定位轉矩小、容錯性能好和弱磁能力大等優點[4-6]。但是，值得注意的是分數槽集中繞組的繞組磁動勢含有非常多的諧波，這些諧波中與極對數相同的諧波能夠與永磁體磁場相互作用產生轉矩，稱為工作諧波。其它的諧波尤其是低次諧波和幅值較大的齒諧波會引起局部的鐵飽和、渦流損耗、振動噪聲等問題[7-9]，從而使得電機的性能變差，制約其進一步發展。因此，對分數槽集中繞組永磁電機諧波的研究已經成為了近年來一個重要的研究方向。文獻[3]在定子軛部加磁障來降低繞組磁動勢諧波含量，但是增加了電機加工的難度。文獻[10]以一臺20槽22極的五相分數槽集中繞組表貼式永磁電機為例進行分析，在保持電流有效值不變的前提下，以獲得最大平均轉矩為目標，采用解析法確定諧波電流分量，并通過有限元法得到驗證。文獻[11]建立了直驅型多相永磁同步電機定子繞組磁動勢數學分析模型，給出了詳細推導過程，同時研究了電機繞組電流和磁動勢的影響因素包括：相數、供電方式、中性點接法、極槽匹配與繞組分布。文獻[12-13]通過增加繞組的相數來降低繞組磁動勢諧波，但是該種方法不具備通用性。

本文基于三相12槽10極的分數槽集中繞組永磁電機，提出了一種新型的繞組結構來降低定子繞組磁動勢諧波，從而降低轉子損耗。這種方法具有一定的通用性和可行性。此外，在不同轉子結構下，諧波對轉子損耗的影響程度不同，所以，本文將該新型的繞組結構應用于表貼式和表嵌式兩種不同的結構來進行損耗的分析與研究。

1 新型繞組結構

(a) 常規雙層繞組

(b) 新型雙三相繞組

(a)星形連接

(b)星-三角連接

(1)

實際加工中，其新型繞組連接方式如圖3所示。

圖3 新型繞組連接圖

每相的2個線圈產生的磁動勢：

(2)

(3)

式中：Nc1和Nc2分別為A1相和A2相的匝數；Im1和Im2為A1相和A2相的最大電流。

通過改變2套繞組之間的相位角，可以削弱磁動勢諧波的次諧波分量，從而降低電機的損耗。

2 定子繞組磁動勢諧波

定子電樞繞組通入電流會在氣隙中產生磁動勢。設電機轉速為1 500 r/min，在Maxwell軟件中進行了定子繞組磁動勢仿真驗證。圖4為傳統三相12槽10極雙層繞組與采用星-三角形繞組連接的磁動勢諧波對比圖。

圖4 傳統與新型結構12槽/10極電機磁動勢諧波對比圖

由圖4可見，5次諧波為該電機的工作波產生的轉矩分量，7次和17次諧波為齒諧波，其由固有的定轉子極槽配比產生[14]。齒諧波是產生永磁體渦流損耗的主要次諧波[15]，其計算公式如下：

Z=Q±p

(4)

式中：Q為電機槽數；p為電機極對數。

同時，我們將小于基波的諧波稱為次諧波。在12槽/10極電機中，1次諧波為該電機的次諧波，它也是產生永磁體渦流損耗的主要諧波。與此同時，我們還可以看出，采用新型結構的電機較傳統結構電機次諧波下降很明顯，降低了35.9%，可以認為，采用新結構后次諧波可以完全消除。我們發現該仿真結構與理論分析結果相一致，證明了理論的正確性。

3 不同轉子結構

由上面分析可知，當采用新型繞組結構時，定子繞組磁動勢諧波會降低，次諧波的降低會導致永磁體渦流損耗和電機鐵耗的降低。但是，基于不同的轉子結構，其降低效果并不一樣[16]。因此，我們研究基于不同轉子結構下的次諧波降低對其損耗的影響。

(a)表貼式

(b)表嵌式

圖5(a)展示了12槽/10極的表貼式電機轉子結構，其定子有12個槽組成，轉子由10個永磁體構成。由于其永磁體極弧系數為1，永磁體遍布在整個轉子上，永磁體的導磁性能比較差，與空氣類似。因此，諧波磁力線很難通過轉子形成一個完整的定子-氣隙-轉子的回路。圖5(b)展示了12槽/10極的表嵌式電機轉子結構，其永磁體極弧系數為0.8，由于永磁磁極之間有導磁性能較好的硅鋼片，有利于諧波磁力線的通過，從而形成一個完整的定子-氣隙-轉子的回路。需要說明的是2種電機結構和尺寸完全一致，其參數如表1所示。此外，定轉子硅鋼片材料特性如表2所示。該電機的永磁體材料特性如表3所示。

表1 新型繞組結構12槽/10極電機參數

4 諧波降低對損耗的影響

根據前面分析可知，不同的轉子結構會對諧波磁力線的回路產生影響。因此，基于不同轉子結構下的次諧波降低對電機鐵耗和永磁體渦流損耗的影響也是不同的。

表2 定轉子材料特性(M19-29G)

表3 永磁體材料特性

圖6(a)展示了基于不同轉子結構下，傳統結構和新型結構對電機鐵耗的影響。從圖6(a)中可以看出，與表貼式結構相比，次諧波的降低引起的鐵耗降低在表嵌式中更明顯。這是由于表嵌式結構有利于諧波的通過，因此損耗降低更明顯。與表貼式結構相比，表嵌式的鐵耗下降多0.15%。圖6(b)展示了基于不同轉子結構下，傳統結構和新型結構對電機永磁體渦流損耗的影響。從圖6(b)中可以看出，在2種轉子結構下，次諧波的降低引起的永磁體渦流損耗降低效果大體一致。這是由于永磁體渦流損耗是諧波直接在永磁體中作用產生，并不需要構成回路。與傳統繞組結構相比，由于次諧波的降低，新型繞組結構電機鐵耗和永磁體渦流損耗都降低了，因此采用新型結構的電機有利于電機的運行。

(a) 鐵耗比較

(b) 永磁體渦流損耗比較

5 結 語

本文研究了一種新型的星-三角連接繞組結構，它能夠有效地降低定子繞組磁動勢次諧波，進而降低電機損耗，有利于電機的運行。但是基于不同的轉子結構，它降低的效果并不一樣。通過有限元仿真發現，由于表嵌式電機轉子結構有利于諧波磁力線通過，因此采用新結構后，其電機鐵耗下降更明顯。此外，由于繞組磁動勢諧波直接在永磁體中產生永磁體渦流損耗，并不需要通過轉子形成回路，故電機轉子結構對其影響不是很大。因此，表貼式和表嵌式電機中永磁體渦流損耗下降百分比一致。需要說明的是，這種新型的繞組方法可以適用于具有高諧波含量的其他類型電機。