分數(shù)槽集中繞組高效內(nèi)置式永磁同步電機研究

鄭軍洪，孫國偉，陳漢錫

(廣東美芝制冷設備有限公司，廣東 順德 528333)

0 引 言

隨著生活水平的提升，變頻空調(diào)逐漸成為市場的主流產(chǎn)品。壓縮機中的永磁同步電機是變頻空調(diào)的核心部件。國家推出能效領跑者計劃，壓縮機能效要求提高，壓縮機對電機的效率要求也相應提高；隨市場競爭激烈，壓縮機成本中電機占大頭，電機的成本直接決定壓縮機的競爭力；對于新能源汽車用電動壓縮機對電機重量有嚴格要求。從而對永磁同步電機的高功率密度、高效和低成本提出了更高的要求。

采用高繞組系數(shù)的槽極配合方案，是高效永磁同步電機設計的重要技術方案。壓縮機用永磁同步電機較普遍的槽極配合有分布繞組18槽6極、24槽4極；集中繞組6槽4極、9槽6極、12槽8極。集中繞組端部低、銅線用量少、制造效率高的特點，占有優(yōu)勢。文獻[1]中，對集中繞組的繞組系數(shù)、轉(zhuǎn)子渦流損耗進行了研究，高繞組系數(shù)槽極配合有12槽10極。文獻[2]中，對12槽8極和12槽10極進行了空載反電勢、轉(zhuǎn)矩脈動、齒槽轉(zhuǎn)矩指標的仿真比較。文獻[3-4]中，對12槽10極星-三角混合繞組進行了研究，星-三角混合繞組相比星型繞組，繞組系數(shù)提高，低次磁動勢諧波降低，磁鐵渦流損耗降低，電機性能提高，但無實驗驗證。文獻[5]中，對集中繞組不同槽極配合的振動進行了研究，采用有限元計算了徑向電磁力和定子模態(tài)，但無實驗對比?，F(xiàn)有文獻資料對集中繞組不同槽極配合的電機效率、振動方面進行了描述，很少有理論對比實驗的詳細結(jié)果[1-5]。

本文使用有限元軟件仿真分析，針對分數(shù)槽集中繞組高效永磁同步電機進行研究，包括12槽8極、12槽10極星型繞組、12槽10極星-三角混合繞組，分析繞組系數(shù)、繞組磁動勢諧波、轉(zhuǎn)子渦流損耗、定子模態(tài)。并對設計樣機實驗測試電機效率，實測電機振動進行對比分析。為高效永磁電機的開發(fā)設計方案選擇提供參考依據(jù)。

1 繞組系數(shù)及磁動勢諧波分析

1.1 繞組系數(shù)

圖1 樣機12槽8極和12槽10極結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 12槽10極星-三角混合繞組連接圖

UAB=2(UA1+Ua2-Ub1-UB2)

(1)

UAB=2(UYa2-U△b1-UYB2)

(2)

圖3 實測12槽10極星型與星-三角空載反電動勢波形

1.2 磁動勢諧波分析

定子電樞繞組磁動勢的諧波磁動勢會在永磁體內(nèi)產(chǎn)生渦流損耗,特別是低于基波次數(shù)的低次諧波磁動勢產(chǎn)生的渦流損耗較大，使得轉(zhuǎn)子磁鐵溫度升高，磁性能下降，溫升嚴重時會導致磁鐵發(fā)生退磁。

采用有限元軟件仿真定子施加負載電流時的電磁場，得到氣隙磁密波形，進行FFT，即得到繞組磁動勢各次諧波含量。仿真分析時將轉(zhuǎn)子設置為整圓硅鋼片，無磁鐵。圖4為繞組磁動勢分析定子施加負載電流時的磁場分布圖。

圖4 繞組磁動勢分析磁場分布圖

由圖4可知，磁力線的對稱數(shù)等于電機極對數(shù)，12槽10極星型繞組存在對稱性為1的磁力線，即存在1次磁動勢諧波磁力線；12槽8極和12槽10極星-三角混合繞組不存在1次磁動勢諧波磁力線。圖5為繞組磁動勢分析定子施加負載電流時的氣隙磁密波形圖。由圖5可知，12槽10極星-三角混合繞組的磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁密波形NS極對稱性優(yōu)于星型繞組，諧波含量降低。圖6是圖5的氣隙磁密波形FFT，得到繞組磁動勢諧波占比。由圖6可知，12槽8極不存在低于極對數(shù)次數(shù)的諧波；12槽10極存在低于極對數(shù)次數(shù)的1次諧波含量，星-三角混合繞組可以消除1次磁動勢諧波。

圖5 繞組磁動勢分析氣隙磁密波形圖

圖6 繞組磁動勢分析氣隙磁密波形圖

1.3 磁鐵渦流損耗分析

定子電樞繞組磁動勢的諧波磁動勢會在永磁體內(nèi)產(chǎn)生渦流損耗，采用有限元軟件仿真計算轉(zhuǎn)速3600 r/min負載工況下永磁體產(chǎn)生的渦流損耗，計算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，12槽10極永磁體產(chǎn)生的渦流損耗大于12槽8極；12槽10極星-三角混合繞組永磁體渦流損耗隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，損耗變化率比12槽10極星型繞組大，但損耗平均值小于星型繞組，可知星-三角混合繞組降低了永磁體渦流損耗。

綜上分析，12槽10極具有高繞組系數(shù)，有利實現(xiàn)高效率，但轉(zhuǎn)子渦流損耗增加了損耗，降低了電機效率。通過有限元電磁場仿真計算，得到電磁轉(zhuǎn)矩、鐵損、銅損、轉(zhuǎn)子磁鐵渦流損耗；根據(jù)前期經(jīng)驗確定雜散損耗系數(shù)、機械損耗；計算出電機效率仿真值。電機效率仿真結(jié)果為：12槽10極星-三角混合繞組>12槽10極星型繞組>12槽8極。

圖7 3600 r/min負載工況下永磁體渦流損耗

2 電機效率實驗結(jié)果對比

電機效率測試系統(tǒng)如圖8所示，采用主動式測功機測試系統(tǒng)進行負載試驗，實驗用測功機采用同軸雙機系統(tǒng)。

圖8 電機效率測試系統(tǒng)示意圖

以12槽8極第一個扭力點的效率為基準，每個扭力點效率減去基準效率得到電機相對效率；圖9為實測轉(zhuǎn)速3600 r/min時電機相對效率隨扭力變化曲線。由圖9可知，12槽10極電機效率高于12槽8極；12槽10極星-三角混合繞組電機效率高于12槽10極星型繞組，且隨著負載扭力變大，效率提升效果越明顯，實測電機效率趨勢與仿真一致。

圖9 實測轉(zhuǎn)速3600 r/min時的電機相對效率對比

3 定子模態(tài)分析

采用有限元仿真軟件計算定子鐵心模態(tài)頻率，得到定子鐵心各階模態(tài)頻率，如圖10所示。

圖10 定子鐵心模態(tài)仿真

徑向電磁力頻率分布需關注電機電頻率的整數(shù)倍頻率對應的徑向力。由徑向電磁力頻率分布和定子鐵心模態(tài)仿真結(jié)果可知，低階徑向力波頻率沒有和電機固有模態(tài)頻率接近，不會產(chǎn)生共振。

4 電機振動實驗結(jié)果對比

將電機固定安裝在電機振動測試臺位，在電機定子鐵心外徑上安裝加速度傳感器。測試轉(zhuǎn)速3600 r/min下負載時電機徑向加速度振動。

轉(zhuǎn)速3600 r/min時，12槽8極電頻率為240 Hz,12槽10極的電頻率為300 Hz；以12槽8極負載下2倍電頻率的電機徑向加速度振動值為基準，每個頻率下的電機徑向加速度振動值減去基準振動值得到徑向加速度振動相對值；圖11為空載時電機徑向加速度振動相對值結(jié)果；圖12為負載時電機徑向加速度振動相對值結(jié)果。

圖11 轉(zhuǎn)速3600 r/min空載時電機徑向加速度振動相對值結(jié)果

圖12 轉(zhuǎn)速3600 r/min負載時電機徑向加速度振動相對值結(jié)果

由圖11和圖12可知，負載振動大于空載振動；12槽10極空載、負載下的振動高于12槽8極。12槽10極星-三角混合繞組空載下的振動與12槽10極星型繞組相當，但負載下的振動高于星型繞組。

5 結(jié) 論

通過分析影響電機效率的繞組系數(shù)、繞組磁動勢諧波、轉(zhuǎn)子渦流損耗要素，仿真計算電機效率，并實測電機效率，驗證了12槽10極星-三角混合繞組電機效率提升明顯，適用于高功率密度的電機方案中檢討。

通過仿真計算定子模態(tài)來避免與低階徑向電磁力發(fā)生共振，并實測電機徑向加速度振動，得到12槽10極星-三角混合繞組電機徑向加速度振動變大的結(jié)果。綜合對比電機效率和電機振動，為高效永磁電機的開發(fā)設計方案選擇提供參考依據(jù)。