采用新型磁性槽楔的永磁同步电机分析

梅柏杉,孙庆超

(上海电力大学，上海200090)

0 引 言

永磁同步电机由于其具有结构简单、功率密度高、转矩密度高和效率高等优异特点，已经被广泛的应用于风力发电、新能源电动汽车等高功率场所[1-2]。永磁同步电机的定子铁心一般会采用闭口槽结构、半开口槽结构和开口槽结构。闭口槽结构能够改善气隙磁密的分布，降低转矩波动，提高永磁同步电机的电气性能，但是对于定子绕组的下线工艺要求很高，增加电机成本。开口槽和半开口槽则会导致气隙磁密的分布不均匀，严重影响电机的电气性能[3-4]。

针对定子铁心为开口槽和半开口槽结构的电机，国外学者提出一种磁性槽楔结构[5-6]。该结构中由于导磁物质的存在，提高了槽楔的导磁性能，一定程度上改善了磁导波形的平滑度，削弱电机的齿槽效应，从而降低电机的铁心损耗和齿槽转矩，降低电机振动和噪声。电机使用磁性槽楔结构后，会在磁性槽楔处形成一小部分漏磁场，增加定子槽漏抗。同时，由于磁性物质的存在，在气隙磁密的作用下，磁性槽楔会受到电磁拉力，进而容易造成磁性槽楔的松动和脱落，甚至损坏电机[7]。另外，由于磁性槽楔处于电机定子铁心齿部的槽口处，在电机温度较高的部位。所以，对磁性槽楔的力学性能和电磁性能均有较高的要求[8]。

针对现有问题，本文提出了一种叠片式磁性槽楔。此结构能进一步改善电机的气隙磁密分布，降低电机齿槽转矩，减小电机的铁耗。通过解析法分析磁性槽楔对于气隙磁密谐波以及定子槽漏抗的影响，然后采用有限元法对电机进行仿真计算，分析该结构的电气性能。

1 磁性槽楔结构和电磁分析

1.1 磁性槽楔结构

叠片式磁性槽楔采用磁性槽楔冲片叠压而成，磁性槽楔冲片采用硅钢片冲制，其形状尺寸与电机铁心槽的槽口形状及尺寸一致，硅钢片材料机械强度高，还设置了楔入电机齿槽的突耳，在安装时方便快捷，使用时更加安全可靠；并且此槽楔为中空结构，在应用于电机铁心槽的槽口时，可对齿槽漏磁通产生磁桥饱和效应，因而大幅度减小齿槽漏磁，从而改善与漏磁电抗相关的电机性能[9]。图1是单片的磁性冲片，101代表着叠片式磁性槽楔的中孔，102用于用于楔入电机齿槽的突耳。图2是整体的叠片式磁性槽楔，201代表着注塑成型的中间长通孔，1表示每个磁性冲片。

图1 单片磁性冲片

图2 叠片式磁性槽楔

1.2 气隙谐波磁场分析

在永磁同步电机气隙处局域内建立坐标，如图3所示。

图3 电机气隙区域

气隙磁密谐波表达式为[10]：

(1)

式中，X为以横坐标，Z为电机总槽数，Fv(X)为v次谐波磁动势幅值，v为谐波次数，δ为气隙长度，μ0为真空磁导率。

其中，av和bv进一步表示为：

(2)

(3)

式中：hs为磁性槽楔厚度，bs为定子槽宽，t为齿距，μ为磁性槽楔的相对磁导率。在式(1)中，可以假设:

(4)

将(2)式和(3)式带入(4)式，得：

由式(1)可知，假设电机绕组的谐波磁动势不变，那么气隙磁密谐波就与cv有关。由式(5)可知，cv又与电机的定子槽宽、槽数、齿距和槽楔磁导率有关，当电机定子结构参数不变的情况下，气隙磁密谐波幅值与相对磁导率的1/2次方成反比。

1.3 磁性槽楔的定子漏抗

如图4所示为定子磁性槽楔的示意图。

定子槽部高度h2的漏磁链为：

(6)

当忽略磁性槽楔时，定子槽口高度h1的漏磁链为：

(7)

总漏磁链为：

(8)

图4 定子磁性槽楔

所以，定子槽漏抗为：

(9)

式中:N为导体数，μ0为真空磁导率，l为铁心轴向长度，i为定子电流，f为电机频率。

当定子槽口处放置磁性槽楔时，会引起槽口高度h1处漏磁链的变化，气隙磁场的磁导率变为μrμ0，μr为相对磁导率，所以定子槽漏抗为：

(10)

由此，当电机使用磁性槽楔时，会增加定子槽漏抗，并且随着相对磁导率的增加而增大。当定子槽口使用叠片式磁性槽楔时，气隙磁场的磁导率变为BH曲线的斜率，当磁场不饱和时，BH曲线的斜率要大于普通磁性槽楔的μr，也就是定子槽漏抗要大于普通磁性槽楔，当磁场达到饱和时，气隙磁场的磁导率会变小，使定子槽漏抗的值减小，所以叠片式磁性槽楔采用中空结构，使磁楔处产生磁桥饱和现象，达到减小定子槽漏抗的作用。

2 叠片式磁性槽楔对电机性能的影响

本文设计了一台采用磁性槽楔的永磁同步电机，表1是电机的主要参数。

表1 电机主要参数

图5为叠片式磁性槽楔和普通磁性槽楔的电机模型，结构如图5所示。叠片式磁性槽楔在中间开椭圆孔，长轴为1.5 mm，短轴为1 mm，槽楔的材料为硅钢片，导磁率为硅钢片BH曲线，而普通的磁性槽楔的材料为模压制型，相对磁导率分别为μ=1、3、5、8。两种电机的其余结构参数均一致。以下为叠片式磁性槽楔和普通磁性槽楔的永磁同步电机进行的有限元仿真对比验证。

图5 叠片式磁性槽楔与普通磁性槽楔电机型

2.1 气隙磁密的分析

电机使用磁性槽楔后，会使一部分磁通流过磁性槽楔然后再经过气隙到达转子，削弱齿槽效应所带来的气隙不均匀的现象[11]。图6为电机空载运行时气隙磁密波形图。对图6中的气隙磁密波形进行傅里叶分析，可以获得气隙磁密的基波以及各次谐波幅值，并通过式(11)可以得到气隙磁密的谐波含量。气隙磁密的谐波含量表达式为[12]

(11)

图6 气隙磁通密度

从图6中可以看出，普通磁性槽楔的气隙磁密波形在齿槽处有较大的波动，而叠片式磁性槽楔的波形较为平滑，说明叠片式磁楔槽楔进一步改善了气隙磁导波形。表2为气隙磁密波形傅里叶分析后得到的各次谐波幅值。从表2中可以看出，各基波幅值相差不多，使用普通磁性槽楔时，相对磁导率越大，气隙磁密的各次谐波幅值越小，谐波含量越小，验证式(5)中气隙磁密谐波幅值与相对磁导率的1/2次方成反比。而使用叠片式磁性槽楔时，明显减小各次谐波幅值，尤其是17、19次的齿谐波幅值，降低了气隙磁密谐波含量。由此可以看出，叠片式磁性槽楔相较于普通磁性槽楔能够更加优化气隙磁密波形。

表2 气隙磁密各次谐波幅值及谐波含量

2.2 齿槽转矩分析

齿槽转矩是由定子铁心与转子永磁体之间相互作用产生的转矩，并随转子位置变化而周期性变化，是转矩波动的主要来源之一[13]。转矩波动是引起电机振动和噪声的主要原因之一，因此，减小齿槽转矩对于永磁同步电机的设计具有重要意义。如图7为两个周期的齿槽转矩波形图。

图7 齿槽转矩

从图7中可以看出，使用普通磁性槽楔时，齿槽转矩随着磁导率的增大而减小，说明磁性槽楔随着磁导率的增大而能有效的减小齿槽转矩。当使用叠片式磁性槽楔时，齿槽转矩是普通磁性槽楔相对磁导率μ=8时的1/2左右，更是相对磁导率μ=1时的1/10左右，由此可见，叠片式磁性槽楔能够明显减小齿槽转矩。

2.3 定子槽漏抗分析

电机使用磁性槽楔时，会在槽楔处形成漏磁场，对电机定子的槽漏抗有一定程度的改变，如图8为电机定子槽漏抗图。

图8 定子槽漏抗

从图8中可以看出，使用普通磁性槽楔时，电机定子槽漏抗随着磁导率的增加而增大，而叠片式磁性槽楔由于其中空结构，使磁性槽楔的漏磁场出现磁桥饱和效应，降低了定子槽漏抗，使叠片式磁性槽楔的定子槽漏抗要小于相对磁导率为不低于3的定子槽漏抗，进而间接影响电机性能。如图9为槽楔处的磁力线。

图9 磁力线

2.4 电机铁耗分析

根据铁耗分离方法，铁耗主要由涡流损耗和磁滞损耗组成，采用磁性槽楔时会对气隙的磁场谐波产生影响，进而影响到电机的涡流损耗，如图10为瞬态磁场下的电机铁耗随时间变化曲线。

图10 电机铁耗

从图10中可以看出采用普通磁性槽楔时，电机铁耗值随磁导率的增加而减小，当采用叠片式磁性槽楔时，铁耗值大幅减小，说明采用叠片式磁性槽楔可以减小电机的铁耗问题，对于提高电机效率有所帮助。

3 结 论

通过分析磁楔的磁导率对气隙磁密谐波以及定子槽漏抗的影响，得出磁导率越大，气隙磁密谐波幅值越小，但是定子槽漏抗也会越大，对于叠片式磁楔，需要使用中空结构实现磁桥饱和，以此减小定子槽漏抗。

对比仿真分析了叠片式磁楔和普通磁楔，发现叠片式磁性槽楔改善了气隙磁密波形，降低了谐波含量，削弱了齿槽转矩，减小了定子漏抗，同时还降低了电机铁耗。所以，叠片式磁性槽楔更适合改善电机性能，对于大功率、开口槽的永磁同步电机而言，具有较大的参考价值。