次谐波降低对分数槽集中绕组电机转子损耗的影响

宋 骄，吴 晓

(南通大学，南通 226019)

0 引 言

分数槽集中绕组永磁电机具有绕组端部短的优点，可以有效地减小电机的铜耗、铜重和端部效应[1-2]，而且分数槽集中绕组永磁电机较多的极对数可以减小定转子轭部的厚度，有利于减轻轭部的铁心质量[3]。此外，分数槽集中绕组还具有功率密度大、效率高、槽满率大、定位转矩小、容错性能好和弱磁能力大等优点[4-6]。但是，值得注意的是分数槽集中绕组的绕组磁动势含有非常多的谐波，这些谐波中与极对数相同的谐波能够与永磁体磁场相互作用产生转矩，称为工作谐波。其它的谐波尤其是低次谐波和幅值较大的齿谐波会引起局部的铁饱和、涡流损耗、振动噪声等问题[7-9]，从而使得电机的性能变差，制约其进一步发展。因此，对分数槽集中绕组永磁电机谐波的研究已经成为了近年来一个重要的研究方向。文献[3]在定子轭部加磁障来降低绕组磁动势谐波含量，但是增加了电机加工的难度。文献[10]以一台20槽22极的五相分数槽集中绕组表贴式永磁电机为例进行分析，在保持电流有效值不变的前提下，以获得最大平均转矩为目标，采用解析法确定谐波电流分量，并通过有限元法得到验证。文献[11]建立了直驱型多相永磁同步电机定子绕组磁动势数学分析模型，给出了详细推导过程，同时研究了电机绕组电流和磁动势的影响因素包括：相数、供电方式、中性点接法、极槽匹配与绕组分布。文献[12-13]通过增加绕组的相数来降低绕组磁动势谐波，但是该种方法不具备通用性。

本文基于三相12槽10极的分数槽集中绕组永磁电机，提出了一种新型的绕组结构来降低定子绕组磁动势谐波，从而降低转子损耗。这种方法具有一定的通用性和可行性。此外，在不同转子结构下，谐波对转子损耗的影响程度不同，所以，本文将该新型的绕组结构应用于表贴式和表嵌式两种不同的结构来进行损耗的分析与研究。

1 新型绕组结构

(a) 常规双层绕组

(b) 新型双三相绕组

(a)星形连接

(b)星-三角连接

(1)

实际加工中，其新型绕组连接方式如图3所示。

图3 新型绕组连接图

每相的2个线圈产生的磁动势：

(2)

(3)

式中：Nc1和Nc2分别为A1相和A2相的匝数；Im1和Im2为A1相和A2相的最大电流。

通过改变2套绕组之间的相位角，可以削弱磁动势谐波的次谐波分量，从而降低电机的损耗。

2 定子绕组磁动势谐波

定子电枢绕组通入电流会在气隙中产生磁动势。设电机转速为1 500 r/min，在Maxwell软件中进行了定子绕组磁动势仿真验证。图4为传统三相12槽10极双层绕组与采用星-三角形绕组连接的磁动势谐波对比图。

图4 传统与新型结构12槽/10极电机磁动势谐波对比图

由图4可见，5次谐波为该电机的工作波产生的转矩分量，7次和17次谐波为齿谐波，其由固有的定转子极槽配比产生[14]。齿谐波是产生永磁体涡流损耗的主要次谐波[15]，其计算公式如下：

Z=Q±p

(4)

式中：Q为电机槽数；p为电机极对数。

同时，我们将小于基波的谐波称为次谐波。在12槽/10极电机中，1次谐波为该电机的次谐波，它也是产生永磁体涡流损耗的主要谐波。与此同时，我们还可以看出，采用新型结构的电机较传统结构电机次谐波下降很明显，降低了35.9%，可以认为，采用新结构后次谐波可以完全消除。我们发现该仿真结构与理论分析结果相一致，证明了理论的正确性。

3 不同转子结构

由上面分析可知，当采用新型绕组结构时，定子绕组磁动势谐波会降低，次谐波的降低会导致永磁体涡流损耗和电机铁耗的降低。但是，基于不同的转子结构，其降低效果并不一样[16]。因此，我们研究基于不同转子结构下的次谐波降低对其损耗的影响。

(a)表贴式

(b)表嵌式

图5(a)展示了12槽/10极的表贴式电机转子结构，其定子有12个槽组成，转子由10个永磁体构成。由于其永磁体极弧系数为1，永磁体遍布在整个转子上，永磁体的导磁性能比较差，与空气类似。因此，谐波磁力线很难通过转子形成一个完整的定子-气隙-转子的回路。图5(b)展示了12槽/10极的表嵌式电机转子结构，其永磁体极弧系数为0.8，由于永磁磁极之间有导磁性能较好的硅钢片，有利于谐波磁力线的通过，从而形成一个完整的定子-气隙-转子的回路。需要说明的是2种电机结构和尺寸完全一致，其参数如表1所示。此外，定转子硅钢片材料特性如表2所示。该电机的永磁体材料特性如表3所示。

表1 新型绕组结构12槽/10极电机参数

4 谐波降低对损耗的影响

根据前面分析可知，不同的转子结构会对谐波磁力线的回路产生影响。因此，基于不同转子结构下的次谐波降低对电机铁耗和永磁体涡流损耗的影响也是不同的。

表2 定转子材料特性(M19-29G)

表3 永磁体材料特性

图6(a)展示了基于不同转子结构下，传统结构和新型结构对电机铁耗的影响。从图6(a)中可以看出，与表贴式结构相比，次谐波的降低引起的铁耗降低在表嵌式中更明显。这是由于表嵌式结构有利于谐波的通过，因此损耗降低更明显。与表贴式结构相比，表嵌式的铁耗下降多0.15%。图6(b)展示了基于不同转子结构下，传统结构和新型结构对电机永磁体涡流损耗的影响。从图6(b)中可以看出，在2种转子结构下，次谐波的降低引起的永磁体涡流损耗降低效果大体一致。这是由于永磁体涡流损耗是谐波直接在永磁体中作用产生，并不需要构成回路。与传统绕组结构相比，由于次谐波的降低，新型绕组结构电机铁耗和永磁体涡流损耗都降低了，因此采用新型结构的电机有利于电机的运行。

(a) 铁耗比较

(b) 永磁体涡流损耗比较

5 结 语

本文研究了一种新型的星-三角连接绕组结构，它能够有效地降低定子绕组磁动势次谐波，进而降低电机损耗，有利于电机的运行。但是基于不同的转子结构，它降低的效果并不一样。通过有限元仿真发现，由于表嵌式电机转子结构有利于谐波磁力线通过，因此采用新结构后，其电机铁耗下降更明显。此外，由于绕组磁动势谐波直接在永磁体中产生永磁体涡流损耗，并不需要通过转子形成回路，故电机转子结构对其影响不是很大。因此，表贴式和表嵌式电机中永磁体涡流损耗下降百分比一致。需要说明的是，这种新型的绕组方法可以适用于具有高谐波含量的其他类型电机。