分数槽集中绕组高效内置式永磁同步电机研究

郑军洪，孙国伟，陈汉锡

(广东美芝制冷设备有限公司，广东 顺德 528333)

0 引 言

随着生活水平的提升，变频空调逐渐成为市场的主流产品。压缩机中的永磁同步电机是变频空调的核心部件。国家推出能效领跑者计划，压缩机能效要求提高，压缩机对电机的效率要求也相应提高；随市场竞争激烈，压缩机成本中电机占大头，电机的成本直接决定压缩机的竞争力；对于新能源汽车用电动压缩机对电机重量有严格要求。从而对永磁同步电机的高功率密度、高效和低成本提出了更高的要求。

采用高绕组系数的槽极配合方案，是高效永磁同步电机设计的重要技术方案。压缩机用永磁同步电机较普遍的槽极配合有分布绕组18槽6极、24槽4极；集中绕组6槽4极、9槽6极、12槽8极。集中绕组端部低、铜线用量少、制造效率高的特点，占有优势。文献[1]中，对集中绕组的绕组系数、转子涡流损耗进行了研究，高绕组系数槽极配合有12槽10极。文献[2]中，对12槽8极和12槽10极进行了空载反电势、转矩脉动、齿槽转矩指标的仿真比较。文献[3-4]中，对12槽10极星-三角混合绕组进行了研究，星-三角混合绕组相比星型绕组，绕组系数提高，低次磁动势谐波降低，磁铁涡流损耗降低，电机性能提高，但无实验验证。文献[5]中，对集中绕组不同槽极配合的振动进行了研究，采用有限元计算了径向电磁力和定子模态，但无实验对比。现有文献资料对集中绕组不同槽极配合的电机效率、振动方面进行了描述，很少有理论对比实验的详细结果[1-5]。

本文使用有限元软件仿真分析，针对分数槽集中绕组高效永磁同步电机进行研究，包括12槽8极、12槽10极星型绕组、12槽10极星-三角混合绕组，分析绕组系数、绕组磁动势谐波、转子涡流损耗、定子模态。并对设计样机实验测试电机效率，实测电机振动进行对比分析。为高效永磁电机的开发设计方案选择提供参考依据。

1 绕组系数及磁动势谐波分析

1.1 绕组系数

图1 样机12槽8极和12槽10极结构示意图

图2 12槽10极星-三角混合绕组连接图

UAB=2(UA1+Ua2-Ub1-UB2)

(1)

UAB=2(UYa2-U△b1-UYB2)

(2)

图3 实测12槽10极星型与星-三角空载反电动势波形

1.2 磁动势谐波分析

定子电枢绕组磁动势的谐波磁动势会在永磁体内产生涡流损耗,特别是低于基波次数的低次谐波磁动势产生的涡流损耗较大，使得转子磁铁温度升高，磁性能下降，温升严重时会导致磁铁发生退磁。

采用有限元软件仿真定子施加负载电流时的电磁场，得到气隙磁密波形，进行FFT，即得到绕组磁动势各次谐波含量。仿真分析时将转子设置为整圆硅钢片，无磁铁。图4为绕组磁动势分析定子施加负载电流时的磁场分布图。

图4 绕组磁动势分析磁场分布图

由图4可知，磁力线的对称数等于电机极对数，12槽10极星型绕组存在对称性为1的磁力线，即存在1次磁动势谐波磁力线；12槽8极和12槽10极星-三角混合绕组不存在1次磁动势谐波磁力线。图5为绕组磁动势分析定子施加负载电流时的气隙磁密波形图。由图5可知，12槽10极星-三角混合绕组的磁动势产生的气隙磁密波形NS极对称性优于星型绕组，谐波含量降低。图6是图5的气隙磁密波形FFT，得到绕组磁动势谐波占比。由图6可知，12槽8极不存在低于极对数次数的谐波；12槽10极存在低于极对数次数的1次谐波含量，星-三角混合绕组可以消除1次磁动势谐波。

图5 绕组磁动势分析气隙磁密波形图

图6 绕组磁动势分析气隙磁密波形图

1.3 磁铁涡流损耗分析

定子电枢绕组磁动势的谐波磁动势会在永磁体内产生涡流损耗，采用有限元软件仿真计算转速3600 r/min负载工况下永磁体产生的涡流损耗，计算结果如图7所示。

由图7可知，12槽10极永磁体产生的涡流损耗大于12槽8极；12槽10极星-三角混合绕组永磁体涡流损耗随转子旋转，损耗变化率比12槽10极星型绕组大，但损耗平均值小于星型绕组，可知星-三角混合绕组降低了永磁体涡流损耗。

综上分析，12槽10极具有高绕组系数，有利实现高效率，但转子涡流损耗增加了损耗，降低了电机效率。通过有限元电磁场仿真计算，得到电磁转矩、铁损、铜损、转子磁铁涡流损耗；根据前期经验确定杂散损耗系数、机械损耗；计算出电机效率仿真值。电机效率仿真结果为：12槽10极星-三角混合绕组>12槽10极星型绕组>12槽8极。

图7 3600 r/min负载工况下永磁体涡流损耗

2 电机效率实验结果对比

电机效率测试系统如图8所示，采用主动式测功机测试系统进行负载试验，实验用测功机采用同轴双机系统。

图8 电机效率测试系统示意图

以12槽8极第一个扭力点的效率为基准，每个扭力点效率减去基准效率得到电机相对效率；图9为实测转速3600 r/min时电机相对效率随扭力变化曲线。由图9可知，12槽10极电机效率高于12槽8极；12槽10极星-三角混合绕组电机效率高于12槽10极星型绕组，且随着负载扭力变大，效率提升效果越明显，实测电机效率趋势与仿真一致。

图9 实测转速3600 r/min时的电机相对效率对比

3 定子模态分析

采用有限元仿真软件计算定子铁心模态频率，得到定子铁心各阶模态频率，如图10所示。

图10 定子铁心模态仿真

径向电磁力频率分布需关注电机电频率的整数倍频率对应的径向力。由径向电磁力频率分布和定子铁心模态仿真结果可知，低阶径向力波频率没有和电机固有模态频率接近，不会产生共振。

4 电机振动实验结果对比

将电机固定安装在电机振动测试台位，在电机定子铁心外径上安装加速度传感器。测试转速3600 r/min下负载时电机径向加速度振动。

转速3600 r/min时，12槽8极电频率为240 Hz,12槽10极的电频率为300 Hz；以12槽8极负载下2倍电频率的电机径向加速度振动值为基准，每个频率下的电机径向加速度振动值减去基准振动值得到径向加速度振动相对值；图11为空载时电机径向加速度振动相对值结果；图12为负载时电机径向加速度振动相对值结果。

图11 转速3600 r/min空载时电机径向加速度振动相对值结果

图12 转速3600 r/min负载时电机径向加速度振动相对值结果

由图11和图12可知，负载振动大于空载振动；12槽10极空载、负载下的振动高于12槽8极。12槽10极星-三角混合绕组空载下的振动与12槽10极星型绕组相当，但负载下的振动高于星型绕组。

5 结 论

通过分析影响电机效率的绕组系数、绕组磁动势谐波、转子涡流损耗要素，仿真计算电机效率，并实测电机效率，验证了12槽10极星-三角混合绕组电机效率提升明显，适用于高功率密度的电机方案中检讨。

通过仿真计算定子模态来避免与低阶径向电磁力发生共振，并实测电机径向加速度振动，得到12槽10极星-三角混合绕组电机径向加速度振动变大的结果。综合对比电机效率和电机振动，为高效永磁电机的开发设计方案选择提供参考依据。