定子槽数和气隙长度对高速永磁无刷电动机性能的影响

薛劭申，方 程，沈 围，葛宝明，许海平

(1.北京交通大学，北京100044;2.中国科学院电工研究所，北京100190)

0 引 言

由于永磁无刷电动机具有效率高、体积小等优点，正越来越广泛地应用在高速泵、高速电动工具、高速磨床等加工机床，高速飞轮储能系统，高速离心压缩机和鼓风机等高速场合。

文献［1－3］中，浙江大学沈建新等人受浙江省自然科学基金资助，研究高速直流无刷电动机，研究的功率范围主要集中在2～3 kW，转速范围10 000～150 000 r/min，主要研究方向为充磁方式、转子结构等。

沈阳工业大学受国家重点自然科学基金项目资助，主要研究内容集中在高速永磁电机的转子结构与强度问题、转子动力学等方面。文献［7－9］对他们研制的转速60 000 r/min的高速永磁电机进行了介绍。

本文介绍了高速永磁电机设计的总体流程，提出高速永磁电机设计中的几个关键问题，并分析了不同气隙长度和定子槽数对电机性能的影响。

1 转子设计

1.1 永磁转子的结构和保护

转子结构按永磁体安装方式可分为三种:实心永磁体结构、永磁体表贴式、永磁体内嵌式，如图1所示。

永磁体内嵌式是将永磁体埋入转子铁心内，结构坚固，可承受高转速运行时所产生的较大离心力［4－5］，但内嵌式结构的永磁体分布不均匀，在高速运行时，会在永磁体和转子铁心的边缘处产生很大的应力［6］，可能对转子铁心或永磁体产生破坏。

实心永磁体结构和永磁体表贴式结构具有机械对称性好的优点，但由于永磁材料能承受的拉应力较小［7］(＜80 MPa)，所以为防止永磁体在高速旋转状态下受到巨大离心力而遭到破坏，需要在永磁体外加一层保护措施。目前常用的保护措施有两种:一种是用碳纤维或玻璃丝绑扎永磁体，另一种是在永磁体外加一个高强度非导磁金属护套。碳纤维绑扎带厚度比较小，而且由于其导电性较差，所以不产生高频涡流损耗。但碳纤维材料散热性较差，转子不易散热，而且为了达到屏蔽谐波的目的，往往还要在绑扎带内加一层铜屏蔽层，这就加大了加工的难度。非导磁金属护套可以屏蔽高次谐波，减少永磁体上的涡流损耗，而且它导热性好，有利于转子散热。

1.2 极数选择

高速电机的极数较少，一般情况下，采用2极或4 极，他们各有优缺点［8］:

2极转子结构简单，便于制造，强度高。与4极转子结构相比，2极结构电机的磁通频率和定子电流频率小得多，所以相应的损耗就小很多。但2极电机的最大缺点是其长度要比4极电机长得多。

4极电机比2极电机轴向长度小，但它的定子铜耗和铁耗比2极电机大很多。

从电磁和机械角度考虑，本设计采用2极方案。

2 定子设计

2.1 定子结构

定子铁心结构分为有槽结构和无槽结构两种，有槽结构能减少N、S极之间的漏磁，还可以增大绕组和定子铁心的表面接触面积，提供了一个较低的热阻路径，这对绕组和转子的散热也很重要。

无槽结构取消了传统的齿槽结构，所以电机的铁耗只有轭部损耗而没有齿部损耗，这样的结构使电机铁耗降低，但是这种结构绕组加工工艺复杂，而且无槽结构的气隙较大［9］，永磁材料利用率低。本设计采用定子有槽结构。

2.2 槽数的选择

文献［10］、［11］中介绍了一些常用三相电机的极槽数配合，对无刷电机可能用到的极槽数配合给出了完整的总结。表1给出2极永磁电机几种常用的极槽数配合。

表1 几种常用的极槽数配合

为保持电机的反电势不变，每相串联匝数不改变，所以改变槽数的同时，保持槽的总面积不变，研究不同极数槽数配合对电机的影响。

3 主要尺寸的确定

3.1 主要尺寸和长径比确定

电机的主要尺寸与计算功率、转速、电磁负荷有关，即［12］:

3.2 齿宽和轭高的确定

在定子槽数和主要尺寸确定后，需要计算定子齿部宽度和轭部高度，计算方法如下:

齿宽:

式中:t1为齿距;Bσ为气隙磁密;KFe为叠压系数;Bt1为齿部磁密，为了减小齿部损耗，尽量取较低值。

轭高:

式中:τ为极距;Fs为波幅系数;Bj1为轭部磁密，为了减小轭部损耗，尽量取较低值。

4 设计流程

如图2所示，设计流程包括结构设计、电磁设计、机械和热设计三个部分。其中结构设计包括极数选择、定转子结构确定、绕组形式确定等。电磁设计是对电机的参数进行计算、校验，以确定电机的各部分尺寸;机械和热设计是对电机的机械强度、温升进行校验。

图2 设计流程图

5 分析计算与设计

5.1 电机参数

额定功率7.5 kW，额定转速30 000 r/min，极数为2，相数为3，永磁体保护为碳纤维绑扎。

5.2 不同槽数方案对比

根据本文的设计方法，针对电机参数进行高速永磁电动机设计，建立了4种不同槽数的电机模型，如图3所示，表2则给出了4种槽数方案的设计参数。

表2 不同槽数方案参数

其中，6槽方案节距为1，采用集中绕组结构，这种绕组端部短，有利于减小转子轴向长度提高转子的固有频率［13］，适合高速运行。从主要尺寸计算公式看到，改变绕组因数会影响电机设计的主要尺寸，而为了在电机主要尺寸不变的情况下研究槽数对电机性能的影响，需要排除绕组因数的影响，所以在不同槽数方案中取不同的节距来尽量保证绕组因数不变。

5.2.1 空载计算结果及波形

对模型进行空载计算，得到空载条件下不同槽数方案的齿槽转矩波形如图4所示，表3给出计算结果。

表3 不同槽数方案空载计算结果

计算结果表明:空载情况下，槽数越多，转子的齿槽转矩越小。

5.2.2 负载计算结果及波形

根据电机功率、转速等要求，对模型进行负载计算，得到负载条件下不同槽数方案的转子损耗波形，如图5所示，表4给出了计算结果数据，其中转子损耗为计算结果稳定后一个旋转周期内的平均值。

表4 不同槽数方案负载计算结果

计算结果表明:额定负载情况下，随着槽数的增多，转子涡流损耗逐步减少。

5.3 不同气隙长度方案对比

经过以上方案分析，以24槽方案为例，改变其气隙长度，研究气隙长度对转子损耗的影响，且为了排除气隙磁密的影响，改变气隙长度的同时保持气隙磁密幅值不变。表5给出空载条件下计算结果。

表5 不同气隙长度对电机影响

不同气隙长度方案对比的结果表明，空载条件下，转子损耗随气隙增大而减小。气隙长度达到2 mm后，再增加气隙磁密，对转子损耗的削弱效果不明显。

6 结 论

本文总结了高速永磁无刷电动机的设计流程，讨论了高速永磁无刷电动机设计的几个关键问题，通过计算分析研究了定子槽数和气隙长度对高速永磁无刷电动机的转子损耗及齿槽转矩的影响。得出以下几点结论:

(1)转子结构设计方面，2极转子结构简单，便于制造，强度高。与4极转子结构相比，2极结构电机的磁通频率和定子电流频率小得多，所以相应的损耗就小很多。

(2)永磁体结构方面，表贴式结构具有机械对称性好、安装方便、成本较低等优点，在高速永磁电机的设计中较为常用，所以本设计采用了表贴式永磁体结构。

(3)空载条件下，槽数越多，转子转矩脉动越小。额定负载情况下，随着槽数的增多，转子涡流损耗逐步减少。

(4)空载条件下，转子损耗随气隙增大而减小。同时。气隙长度达到2 mm后，再增加气隙长度，对转子损耗的削弱效果不明显。

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