槽极配合与电机运行质量特性研究(Ⅴ)

丁旭红，冷小强，邱国平

(1.常州旭泉精密电机有限公司，常州 213011；2.中电科机器人有限公司，上海 200233；3.常州亚美柯宝马电机有限公司，常州 213011)

1 槽、极配合与感应电动势

感应电动势是电机性能参数中一个重要指标[10]，其数值的大小和波形直接影响着电机的性能。感应电动势也是评判电机性能、取用材料和加工工艺的依据，而感应电动势的大小及波形的正弦度与槽、极配合有很大的关系。

1.1 电机的感应电动势

感应电动势贯穿在电机机械特性、电机内部磁链和电机性能的检验、判断中。由于电机的感应电动势只与磁链有关，所以能准确计算。用感应电动势和感应电动势常数能方便和准确地考核电机的相关参数，因此，在电机设计中，有必要对电机的感应电动势及感应电动势常数加以重视。

1.2 感应电动势波形讨论

为了对永磁同步电机进行矢量控制，感应电动势的波形应尽量选择正弦波。感应电动势波形与电机的结构有关，特别是电机转子的磁钢形式。

1)感应电动势波形的平滑程度与结构有关。

永磁同步电机定子相同，转子不同，一种是径向内嵌式磁钢，另一个是切向内嵌式磁钢，第三种是表贴式偏心斜极磁钢，图1～图3分别是三种电机的感应电动势。很明显，表贴式转子的感应电动势波形更接近正弦波形状，非常平滑。

图1 径向内嵌式电机感应电动势波形

图2 切向内嵌式电机感应电动势波形

图3 表贴式电机感应电动势波形

2)电机的感应电动势受电机槽、极配合的CT、KL影响很大

同样是12槽，一个是8极(CT=4)，一个是10极(CT=2)，感应电动势波形的正弦度是不一样的。比较如图4、图5所示。

图4 12槽8极感应电动势波形

图5 12槽10极感应电动势波形

另外，并非电机转子越多，感应电动势波形越好。如12槽16极(CT=4)，其感应电动势波形如图6所示，和12槽8极(CT=4)的波形正弦度一样。而12槽14极(CT=2)的感应电动势波形如图7所示，和12槽10极(CT=2)的几乎相同。

图6 12槽16极感应电动势波形

图7 12槽14极感应电动势波形

因此，要电机的感应电动势波形的正弦度好，电机槽、极配合的评价因子CT就要小。

3)定子斜槽或转子直极错位可以提高感应电动势的正弦度

电机的定子斜槽或转子直极错位对感应电动势正弦度影响很大，下面对3 kW永磁同步电机的转子进行变化分析。

电机直极的感应电动势如图8所示，此时定子槽口高和槽肩角都较小。

图8 12槽10极内嵌式电机感应电动势波形

如图9所示，如果改进转子形状(松下电机有类似结构)，对电机的感应电动势波形影响不大。

图9 12槽10极内嵌式转子凸极电机感应电动势波形

如图10所示，电机直极不斜槽，仅改变电机的槽口高和槽肩角，感应电动势正弦度得到一定的改善。

图10 12槽10极内嵌式转子定子槽口改变感应电动势波形

如图11所示，电机转子直极错位(2段)，虽然电机槽口与槽肩角较小，但是对电机的感应电动势正弦度的改善较好。

图11 2槽10极内嵌式转子2段直极错位感应电动势波形

因此，电机的感应电动势波形与电机的槽、极配合，电机槽口、槽形，转子直极错位有相当大的关系的。

1.3 电机的空载与负载感应电动势

1.4 电机槽、极配合的计算因子KL对感应电动势的影响

图12～图14是12槽4极、12槽8极和12槽14极电机的感应电动势比较。

图12 12槽4极感应电动势波形

图13 12槽8极感应电动势波形

图14 12槽14极感应电动势波形曲线

表1是三种电机感应电动势数据对比。

表1 三种电机感应电动势数据对比

综上分析，电机的感应电动势与槽、极配合有关，电机的评价因子CT相同时，电机的计算因子KL对感应电动势的波形影响很大。计算因子KL越小，感应电动势的幅值和波形的正弦度就越好。如果电机槽、极配合的计算因子KL大，则该电机存在着感应电动势正弦度差的先天不足，要采取多种手段才能提高感应电动势波形的正弦度。

1.5 感应电动势的设置技术

内嵌式转子的d,q轴反应电抗相差大，对电机弱磁调速起很大作用，但是在直槽时其感应电动势波形不算太好，这样控制器的矢量控制算法就比较复杂，要求要高；否则会带来了振动、噪声等问题。从上节看，改善内嵌式转子的感应电动势波形的正弦度，可以从如下方面着手：

1)选用CT,KL较小的槽、极配合；

2)增加槽口高和增大槽肩角，减小磁密的饱和度；

3)进行电机斜槽或转子多段直极错位，这是改善电机感应电动势正弦度的最好措施。

电机的转子磁钢结构很大程度上影响了电机的感应电动势的波形，这是在设计电机时应该考虑的。

1.6 测试永磁同步电机感应电动势的性能

永磁同步电机设计后计算出电机的感应电动势E，按设计数据进行永磁同步电机的试制，对试制的永磁同步电机进行感应电动势的测试，如果所测出的感应电动势E的大小与设计时的感应电动势相差甚大，那么电机在生产中的某些环节肯定出了问题。

首先，检查设计中是否有哪些环节出现问题；其次检查电机的制造过程中电机结构、材料是否与设计数据相同，检查电机绕组匝数和接线是否正确，转子磁钢材料是否是设计所指定的材料等等，最终会找出问题所在环节。

永磁同步电机在设计和制造过程中，必须对电机的感应电动势有相当大的研究和关注，只要抓住了感应电动势的主要矛盾，永磁同步电机的设计和制造就不会出现很大的偏差。