电机槽极配合与电机运行质量特性研究(Ⅵ)

左昱昱,储建华，邱国平

(1.苏州绿的谐波传动科技股份有限公司，苏州 215101；2.江苏开璇智能科技有限公司，苏州 215101；3.常州蓓斯特宝马电机有限公司，常州 213011)

1 槽、极配合与电机谐波

1.1 谐波的基本介绍

如果一个正弦波电压或电流发生了畸变，我们可以用一个标准的正弦波电压叠加多个不同频次的正弦波电压来表示，这个标准的正弦波称为基波，其他不同频次的波形称为谐波。如图1所示，通过傅里叶级数分解，可以认为电机的电流波形由一个基波和两个谐波叠加而成。

图1 电机的波形分解

基波频率与原波形的频率相同，谐波频率与基波频率的比值称为谐波次数。谐波频率比基波频率高，是基波频率的整数倍，所以谐波是一种高次波。

永磁同步电机一般采用正弦波控制的三相电源，理论上电机输入的电压和电流应该是理想的正弦波。但是由于各种原因，如电机气隙磁场的畸变、电机转速的变化、电机的齿槽转矩等，引起输入永磁同步电机的的电压和电流发生了畸变，含有大量的高次谐波。

谐波会对电机运行产生严重影响，使电机运行时产生振动、噪声和温升，因此削弱电机的谐波是非常重要的。

1.2 电机谐波的影响因素

12槽10极的感应电动势波形的正弦度比12槽8极的要好得多，12槽8极的评价因子CT=4，12槽10极的评价因子CT= 2，不是同一级别，因此评价因子CT可以作为判断电机高次谐波对电机影响的依据之一，但是在设计时还需对电机进一步用软件进行谐波分析为妥。

另外，电机的谐波与电机转速有关，电机转速越高，谐波越大。电机高次谐波对电机转矩没有太大影响，但高次谐波电流会使电机转矩有效值增加，电机的损耗就大，因此减少电机的高次谐波对电机性能是有很大的好处的。

如果电机的气隙磁密波形是正弦波，电机的控制器比较优良，产生的电流谐波较少，设计时注意电机的感应电动势波形、电机绕组导体的电压波形，减小电机的齿槽转矩，电机的谐波就能够减到很小，特别是5、7次高次谐波，那么电机的转矩波动、噪声、温升就会得到较大的改善。

1.3 削弱电机高次谐波的方法

在永磁同步电机中，由于控制原因，控制器厂家要求电机的感应电动势波形的正弦度要好，即电机的高次谐波要少。电机设计师在设计时应该选取评价因子CT较小的槽、极配合，以降低电机的高次谐波，提高电机的感应电动势波形的正弦度，电机运行良好。当然，可以采用其他办法，如改变电机磁钢的形状等，使感应电动势波形正弦度得到改善，从而减小电机的高次谐波。

如图2所示，12槽8极电机存在3、5、7、11、13等次谐波，特别是5、7次谐波明显。

图2 12槽8极同半径磁钢的电流谐波

如果对磁钢进行偏心设置，电机的谐波基本削弱为0，如图3所示，电机转矩波动会很小。

图3 12槽8极磁钢偏心后的电流谐波

在电机试制样品后必定要测定电机的感应电动势，看其波形是否与设计时的感应电动势波形要求相近?是否达到设计的预期?如果实际感应电动势波形与设计结果不符，那么必须进行多方面的检查及某些结构的调整。

2 槽、极配合与电机最大输出功率

2.1 电机的槽极比

作者提出槽极比的观点，即电机体积和“裂比”相同时，不同的电机槽极比对电机性能有着较大的影响。

2.2 槽数相同，极数减少，最大输出功率增加

永磁同步电机槽数相同，极数递增，电机最大转矩变化，用12槽8极、12槽10极、12槽14极、12槽16极讨论。永磁同步电机额定点都能达到，主要观察电机最大转矩大小。

电机定子外径、内径(裂比)相同，电机长度相同，在齿磁密、轭磁密相同的条件下，绕组在全绕组条件、并联支路数相同，绕组槽满率相同，确保电机感应电动势相同。

电机设计时，一般按以上原则设计，即在电机定子外径确定后，确定定子内径，(裂比确定)，然后选择定子槽数，确定齿、轭磁密，这样确定电机定子冲片形状，电机的槽满率、电流密度是设计目标值。

在电机设计时，定子外径和裂比确定后，必须选择电机的槽数，槽数关系到电机加工工艺和电机性能。确定电机槽数后电机极数少些为好，并选择一个电机绕组系数高、CT，KL小的槽极配合，这样，电机最大输出功率高，齿槽转矩小。

槽数相同、极数不同时，电机性能比较如表1所示。可见，槽数相同，极数越少，电机的槽极比越大，则电机最大输出功率越大。

表1 槽数相同极数不同的性能比较

1.3 极数确定，槽数增加，最大输出功率增加

极数相同，槽数不同时，电机性能比较比较如表2所示。可见，极数相同，槽数越大，电机的输出功率越大。

表2 16极不同槽数的最大输出功率比较

综合表1和表2，槽数和极数相差越大，电机的最大输出功率越大。因此，电机设计时，应先选极数，再选尽量多的槽数。