槽形对永磁无刷直流电动机性能的影响

孙建龙，李进才, 胡 欣，赵朝会

(上海电机学院 电气学院， 上海 200240)

槽形对永磁无刷直流电动机性能的影响

孙建龙，李进才, 胡 欣，赵朝会

(上海电机学院 电气学院， 上海 200240)

以一台0.55kW的永磁无刷直流电动机为例，利用RMxprt磁路计算软件对比研究了不同定子槽形对无刷直流电动机槽满率、效率以及起动性能的影响。结果表明,圆形导线时，梨形槽的槽利用率、电机效率及起动性能均优于梯形槽。

定子槽形; 槽满率; 效率； 起动性能

永磁无刷直流电动机(Brushless Direct Current Machine, BLDCM)没有励磁绕组和励磁装置，不消耗励磁功率，结构上用电子换向装置替代直流电动机的换向器；它既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点，又具有直流电动机起动转矩大、调速性能好等优点。同时，电力电子技术和永磁材料的快速发展也促进永磁BLDCM迅速发展，出现了结构各异的永磁BLDCM。近些年来，学者们围绕永磁BLDCM进行了深入细致地研究。文献[1]中采用MATLAB计算、分析了径向充磁BLDCM齿槽倾斜角度对齿槽转矩的影响。文献[2]中根据解析表达式讨论了定子槽数对齿槽转矩的影响，并分析了定子齿开槽对齿槽转矩的影响。文献[3]中分析了永磁BLDCM定子槽口宽度对定位力矩的影响。文献[4]中分析了梨形槽和矩形槽两种槽形对海浪用永磁直线同步发电机的影响，并通过仿真计算确定了开槽结构，使发动机齿槽力达到最小。文献[5]中利用有限元软件ANSYS分析、计算了横向磁通电动机定子极靴在不同形状与尺寸下的漏磁系数,以及定子槽部在保持恒定截面积时的最优形状。文献[6]中分析了槽口宽度、槽口高度、槽肩角、槽宽、槽高及槽半径等对电动机损耗的影响程度，并提出了基于时步有限元法的定子槽形优化设计方法。文献[7-8]中分析了定子斜槽及斜槽度对永磁同步电动机性能的影响。

槽形的选择对电动机性能的影响很大，然而现有的文献都只是对梨形槽或其他某种特定槽的槽口、槽宽等某一方面或几方面进行了优化设计，不同种类定子的槽型对永磁BLDCM性能的影响，还未见文献报道。本文以一台0.55kW永磁BLDCM为模型，在保证定子槽面积和槽深基本不变的情况下，借助于ANSYS公司的RMxprt软件分析了不同种类定子槽形对BLDCM槽满率、效率以及起动性能的影响。

1 电动机模型及定子槽形参数

电动机的几何模型如图1所示，定子采用斜槽结构，转子采用表贴式径向充磁结构。

电动机结构参数如表1所示，其中，Di为定子内径，Do为定子外径，Z为槽数，L为电枢长度，hm为永磁体充磁方向厚度，bm为永磁体宽度，Ro为转子外径。

图1 径向结构永磁无刷直流电动机结构Fig.1 Structure of radial structure brushless DC motor

表1 电动机的结构参数

图2给出了5种不同的槽形结构。其中，图2(a)为梨形槽；图2(b)为带有倒角的梨形槽；图2(c)为梯形槽；图2(d)和(e)为带有倒角的梯形槽；图2(e)是在图2(d)的基础上对槽底进行了倒角处理，以保护嵌入的导线；hs0为槽口高；hs1为槽肩高；hs2为槽形直线高；bs0为槽口宽；bs1为槽肩宽；bs2为槽底宽；Rs为倒角半径。

各槽形的尺寸如表2所示。

图2 5种定子槽形Fig.2 Five kinds of stator slot

2 不同槽形对永磁BLDCM的影响

一般永磁BLDCM的定子有3种槽形，分别为半闭口槽、半开口槽、开口槽。梨形槽和梯形槽属于半闭口槽，主要用于低压小型电动机中，这是由于它们通常采用由圆导线绕成的散嵌绕组的缘故；半开口槽主要应用于低压中型电动机中，此时绕组为分开的成型绕组；开口槽主要应用于中型高压电动机中。本文中的电动机模型为微型电动机，在此主要研究梨形槽和梯形槽对电动机的影响。

表2 槽形尺寸

2.1对槽满率的影响

槽满率是指线圈放入槽内后占用槽内空间的比例，是导线截面积占槽有效面积的百分比，即[9]

(1)

式中，Ni为导线并绕根数；Ns为线圈匝数；d为导线直径；Aef为槽有效面积。

槽满率的计算公式有很多种，本文给出梨形槽和梯形槽的计算公式，如表3所示。

表3 槽满率计算公式

注：R为圆底槽半径，mm；WL为槽衬宽度，mm；Ci1为槽衬绝缘总厚=复合绝缘厚度(0.2～0.25mm)+薄膜厚度(0.05～0.08mm)；Ci2为复合绝缘厚度，mm；Wc=0.2mm，为槽口盖条宽度；Wt=0.2mm，为层间垫条宽度；h=1.5～2.0mm，为梯形槽楔厚度；Ni1为导线并股数；d01为带漆膜导线直径，mm；Ns1为线圈匝数

在保证槽面积基本不变的情况下，利用RMxprt软件计算了不同槽形的槽满率，如表4所示。由表可见：① 对于圆形导线，(a)、(b)两种槽形的槽利用率较(c)、(d)、(e)槽形的利用率高。② 梯形槽中，(c)槽形的槽利用率最低，(d)槽形的利用率最高；倒角不利于槽利用率的提高，但有利于对导线的保护。③ 虽然不带倒角的平底槽((d)槽形)的槽满率还可以被接受，但实际上人工嵌线并不满意；由于槽底2个角的空间不能被充分利用，且这种槽形容易对导线造成伤害，故采用平底槽时，应采取相应措施保护导线。

2.2对电动机损耗和效率的影响

文献[10]中分析了转子的槽形结构对电动机损耗的影响，并对其进行了优化。定子的槽口宽度、槽宽尺寸、槽高等对电动机性能的影响很大[11]。槽口越宽，磁导谐波对附加损耗的影响越大；槽宽尺寸越大，则齿部宽度越小，从而导致磁路饱和程度和损耗增加；槽高尺寸越大，则轭部磁路面越小，磁路易饱和，损耗增加；槽半径尺寸越大，则轭部磁路面积减小，从而导致磁路饱和程度和损耗增加。梨形槽和梯形槽最大的区别就是梨形槽的底部是圆底的，梯形槽的底部是平底的，这样在相同的槽面积和槽宽下，梯形槽的定子轭部磁密易饱和，从而使铁芯损耗增加。

表4 不同定子槽形的面积和槽满率

效率是电动机的一个重要性能指标，其高低取决于电动机运行时所产生的损耗，损耗越大，效率就越低。电动机的效率[12]为

(2)

式中,PN为额定负载时的输入功率；∑P为电动机在额定负载时所有负载之和。

在保证槽面积基本不变的情况下，本文利用RMpxrt软件计算了不同槽形的损耗和效率，如表5所示。由表可见：① 槽形的变化主要影响铁芯损耗的变化，这是由于槽形的变化会影响磁密的变化，从而导致铁芯损耗变化。② 梨形槽电动机的损耗相对于梯形槽的损耗低，较梯形槽的效率要高。③ 在梯形槽中，(e)槽形较(d)槽形电动机的效率高，(c)槽形较(e)槽形的效率高，这是由于加了倒角；由此可见，带有倒角的槽形，其电动机的效率较高，但带倒角的槽形也会增加电动机制造的难度，故应予综合考虑。

表5 不同定子槽形电动机的损耗和效率

2.3对电动机起动性能的影响

起动转矩和堵转转矩是衡量电动机启动性能的重要指标[13]。起动转矩是电动机起动瞬间的电磁转矩，其大小等于电动机堵转时负载的静摩擦力矩，即起动转矩等于堵转转矩。适当增大起动转矩和堵转转矩可以改善电动机的起动性能，使电动机起动更加迅速，转动更加自如[14]。但两者并非越大越好，起动转矩和堵转转矩越大，电动机的起动电流将大幅增加，从而对电网造成很大的冲击，故需要根据实际情况选择合适的数值，保留一定的裕度。

当电动机起动时，起动电流很大，使其定子的磁路高度饱和，从而影响电动机的起动性能。磁路的饱和程度与定子槽形有很大关系：槽口大者，其磁路饱和程度小；齿部和轭部面积大者，磁路的饱和程度小。

表6为不同槽形电动机的起动转矩和堵转转矩。由表可见，(a)、(b)槽形的起动转矩和堵转转矩要比(c)、(d)、(e)槽形的要大，这表明梨形槽电动机带负载起动的性能较梯形槽电动机带负载起动的性能要好；同时，堵转转矩在一定程度上也反映了电动机的过载能力。因此，梨形槽电动机的起动性能和过载能力在一定程度上要优于梯形槽电动机。

表6 不同定子槽形电动机的起动转矩和堵转转矩

3 结 论

通过以一台0.55kW的永磁BLDCM为模型，在圆导线情况下，利用ANSYS公司中的磁路计算RMxprt软件对比分析了不同定子槽形对电动机槽满率、效率和起动性能的影响，得到如下结论：

(1) 由于梯形槽轭部的磁通密度相对于梨形槽易饱和，使得其电动机损耗较梨形槽电动机大，故梨形槽电动机的效率相对于梯形槽电动机要高；磁通密度容易在死角处饱和，倒角可以解决这一问题，故当梯形槽带有倒角时，电动机的效率会有所提高。

(2) 由于梨形槽槽底是圆底的，在圆导线情况下，更能充分利用槽的空间，使得槽满率较梯形槽高，故就圆形导线而言，梨形槽的槽利用率要比梯形槽高。

(3) 梨形槽电动机的起动性能和过载能力要优于梯形槽电动机。

[1] 付求漄,万春泉.应用MATLAB分析斜槽对无刷直流电机齿槽转矩的影响[J].机电工程,2006,23(2)：44-47.

[2] 夏加宽,于 冰.定子齿开槽对永磁电机齿槽转矩的影响[J].微电机,2010,43(7)：13-16.

[3] 张 颖.定子槽开口宽度对永磁无刷直流电机定位转矩的影响[J].湖南工程学院学报，2010,20(1)：28-30.

[4] 刘立宁,田敬成,李 丹.不同槽型对海浪发电用永磁直线同步发电机的影响研究[J].水电能源科学,2012,30(5)：200-201,216.

[5] 李哲生.定子槽开口对异步电机气隙磁场和等效电路的影响[J].大电机技术，1978(3)：71-78.

[6] 刘文芳.基于Ansys的横向磁通电机定子结构的优化[J].微电机，2011,44(2)：35-38.

[7] 龚建芳.定子斜槽及非均匀气隙对永磁同步发电机的性能影响[J].大电机技术,2008(4)：17-20.

[8] 赵朝会,李遂亮,王新威.斜槽宽度及非均匀气隙对永磁同步发电机性能的影响[J].河南农业大学学报,2008,42(3)：323-326.

[9] 陈世坤.电机设计[M].2版.北京：机械工业出版社,2004.

[10] Yamazaki K,Ishigami H.Rotor-shape optimization of interior-permanent-magnet motors to reduce harmonic iron losses[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(1)：61-69.

[11] 赵海森,刘晓芳，杨亚秋，等.基于时步有限元分析的超高效电机定子槽形优化设计[J].中国电机工程学报,2011,31(33)：115-122.

[12] 汤蕴璆,罗应立,梁艳萍.电机学[M].3版.北京：机械工业出版社,2008.

[13] 唐任远，李振标.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2008.

[14] 王兴华,励庆孚,王曙鸿.永磁无刷直流电机负载磁场及其电磁转矩的计算[J].中国电机工程学报,2003,23(4)：140-144.

Influence of Stator Slot on Performance of Permanent Magnet Brushless DC Motors

SUNJianlong，LIJincai，HUXin，ZHAOChaohui

(School of Electrical Engineering， Shanghai Dianji University, Shanghai 200240， China)

Taking a 0.55kW permanent magnet brushless DC motor as an example, the influence of different stator slots on slot fill factor, efficiency, starting performance was analyzed using ANSYS’s magnetic circuit calculation software named RMxprt.It is found that, for round wire, the slot fill factor, efficiency, starting performance of peariform slot are all better than trapezoidal slot’s.

stator slot; slot fill factor; efficiency; starting performance

2095-0020(2013)06 -0354-05

TM 33

A

2013-06-26

孙建龙(1988-)，男，硕士生，主要研究方向为电机本体设计，E-mail：1073088998@qq.com

赵朝会(1963-)，男，教授，博士，专业方向为电力电子及电力传动，E-mail：zhaoch@sdju.edu.cn