改变定子铁芯面积对分数槽集中绕组永磁同步电机铁耗的影响
发布时间：2021-12-29
摘要：为研究改变定子铁芯面积对分数槽集中绕组永磁同步电机中铁耗的影响，针对定子槽提出了两组研究方案。在 8 极 9 槽永磁电机的基础上使用有限元软件，搭建了保证定子槽数不变仅增加定子槽宽整数倍和不改变每个定子槽尺寸仅增加定子槽数的两组电机。其次，介绍了铁耗计算原理并通过仿真对比了两组电机谐波含量、定子轭部磁通密度和在不同转速下的铁耗与永磁体涡流损耗。分析结果表明，与增加电机定子槽数相比，适当的增加电机定子槽宽能有效降低电机铁耗、磁体涡流损耗和谐波含量，在不显著降低性能的情况下进行优化可确定定子槽的宽度。另外，与改变每个槽的面积相比，转矩脉动受电机定子槽数的影响更大。
关键词：分数槽集中绕组永磁同步电机;定子铁芯面积;定子槽宽;定子槽数;谐波;铁耗
0 引 言
分数槽集中绕组永磁同步电机因功率密度高、绕组端部短以及较宽的调速范围等优点广泛的应用于我们的日常生活中，对于内置式永磁电机来说，其内部含有较多的谐波含量，且因转子结构电机的散热效果较差会使转子发热损坏绝缘，降低运行效率。由于在数值计算中需要考虑集肤效应、运行环境、准确的损耗系数等因素使得计算铁耗成为分析永磁电机的难点之一。由磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗构成的电机铁耗主要是转子旋转过程中磁场的变化在铁芯材料上产生的能量损耗[1]。若从减小铁芯面积角度来研究电机铁耗的变化，对节约电机材料、提高运行效率等方面有着重要意义。
近年来，有不少文章研究电机定子结构来分析电机铁耗及性能。文献[2]研究通过仿真软件对电机定子槽型建模来优化性能，研究发现槽型变化对反电势和铁耗有类似的影响;文献[3]指出在按参数设计的电机模型中气隙长度和定子槽数对电机性能的影响;文献[4-5]分析了单、双层绕组电机在有无定子齿间情况下的转矩脉动和损耗，指出带齿尖的双层绕组电机具有较高的转矩脉动和效率;文献[6]研究了三相感应电动机定子槽尺寸的变化对其内部磁通变化的影响;文献[7]使用有限元分析了六种不同尺寸梨形槽电机的损耗，证明了改进电机定子槽型能有效降低损耗;文献[8]研究了定子槽数和永磁体层数的改变对内置式集中绕组永磁同步电机性能的影响，指出双层绕组且槽数多的电机性能较好;文献[9] 分析了不同槽口结构对电机铁芯损耗以及电机性能的影响，并制作相关样机进行验证;文献[10]研究了不同定子槽口对电机涡流损耗的影响，得出涡流损耗随着槽开口的增大而增大等结论。
本文以8极9槽内置式分数槽集中绕组永磁电机为例，其模型如图1所示，为研究减少定子铁芯面积对分数槽集中绕组永磁电机损耗的影响，制定了两种电机方案：方案一在电机定子槽数不变的基础上增加每个定子槽宽度的整数倍;方案二是保证每个定子槽横截面积相等，增加定子槽数。通过理论和有限元软件对电机铁耗的分析发现，增加每个定子槽宽度时使电机的槽满率和输出转矩均减少，而增加定子槽数可提高最大转矩。方案一的电机因降低谐波含量和提高电机齿磁密度使得铁耗降低的效果优于方案二。
1 电机铁耗
永磁电机的铁耗是构成损耗的主要部分，在转子旋转运行中，电机内部大量的交变磁场会使得硅钢片随着电流和磁动势的旋转变化而产生磁滞损耗和涡流损耗。前者由于内部磁畴受磁场作用反复磁化产生的损耗，它与频率和磁通密度幅值成正比;后者因变化的磁通产生的感应电流在导体上流动引起的热效应。
2 电机结构分析
文中以具体参数如表 1 所示的 8 极 9 槽分数槽集中绕组永磁电机为例，提出两种减少定子铁芯横截面积的方案，其具体细节如图 2 所示，图 2(a)中的 8 mm 和 13 mm 分别模拟靠近定子轭部和槽口的宽度，即 8 极 9 槽(8+13);图 2(b)、图 2(c)分别将定子轭部和槽口的宽度增大 1 倍、2 倍，即 8 极 9 槽(16+26)、8 极 9 槽(24+39);图 3 分别为 8 极 12 槽和 15 槽的电机横截面。
3 有限元仿真分析
随着电机定子铁芯面积的改变，其内部磁通幅值和分布随之发生了变化，结合式(1)、式(2)可知磁通对电机损耗的影响较大。文中使用有限元软件对模型定子轭磁通密度进行分析，图 6 描述了五种电机定子轭部的磁通密度。方案一的电机定子轭部磁通密度随着电机定子槽宽度的增加而降低，方案二中电机的定子轭磁通密度总体上先增加后略微降低，可能会导致定子齿磁饱和而引起电机振荡，磁阻增加并降低电机性能。
谐波含量是分析电机铁耗的重要角度之一。由定子槽开口、逆变器和绕组等原因产生的谐波，在分数槽永磁电机的含量比普通电机的多。特别是次谐波在幅值较大的情况下使得因电机饱和产生较大损耗，在径向充磁的永磁体上产生涡流损耗，还会产生机械振动、噪音和过电压使得机身绝缘老化，电机性能降低。通常采用定子斜槽、转子斜极和磁极分段等改变电机结构的方法，来削弱永磁电机内谐波含量。
4 结束语
文章从改变定子铁芯横截面积对电机铁耗影响的角度，针对定子槽建立了两种不同的方案：方案一在原有定子槽的基础上增加定子槽宽，因降低谐波含量和定子轭部磁通密度的幅值，使得电机铁耗和永磁体的涡流损耗减少。但该方案的转矩性能在减弱以及定子槽横截面积增加过大，使得导线在槽中的空隙加大即槽满率降低;方案二中保持原有槽面积增加定子槽个数，使得输出转矩最大值和转矩脉动随定子铁芯横截面积减少而先增大后减小，由于该结构增加定子轭部磁通幅值和谐波含量使得电机铁耗增加。综合两种方案，适当地增加定子槽宽，能有效降低铁耗和永磁体中的涡流损耗，进一步优化可得到在不显著降低性能的情况下定子槽的最优宽度;转矩脉动的大小与定子槽数有关，而受一定槽数下的槽面积的影响较小。——论文作者：王艾萌，李大双，李小双
参 考 文 献
[1] K. Yamazaki and A. Abe, "Loss Investigation of Interior Permanent-Magnet Motors Considering Carrier Harmonics and Magnet Eddy Currents," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 45, no. 2, pp. 659-665, March-april 2009.
[2] Z. Belli, "Optimization of stator slots shape for eddy current losses reduction in permanent magnets synchronous machine," International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), Monte-Carlo, 2014, pp. 1-7.
[3] L. Xiaohui and L. Jiahong, "An Improved Design of Slot and Tooth Dimensions of Fault-Tolerant Permanent Magnet Machine in Electromechanical Actuators," International Conference on Intelligent System Design and Engineering Application, Changsha, 2010, pp. 239-242.
[4] I. A. A. Afinowi, Z. Q. Zhu, Y. Guan, J. C. Mipo and P. Farah, "Electromagnetic Performance of Stator Slot Permanent Magnet
