槽極配合與電機運行質(zhì)量特性研究(Ⅴ)

丁旭紅，冷小強，邱國平

(1.常州旭泉精密電機有限公司，常州 213011；2.中電科機器人有限公司，上海 200233；3.常州亞美柯寶馬電機有限公司，常州 213011)

1 槽、極配合與感應(yīng)電動勢

感應(yīng)電動勢是電機性能參數(shù)中一個重要指標(biāo)[10]，其數(shù)值的大小和波形直接影響著電機的性能。感應(yīng)電動勢也是評判電機性能、取用材料和加工工藝的依據(jù)，而感應(yīng)電動勢的大小及波形的正弦度與槽、極配合有很大的關(guān)系。

1.1 電機的感應(yīng)電動勢

感應(yīng)電動勢貫穿在電機機械特性、電機內(nèi)部磁鏈和電機性能的檢驗、判斷中。由于電機的感應(yīng)電動勢只與磁鏈有關(guān)，所以能準(zhǔn)確計算。用感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電動勢常數(shù)能方便和準(zhǔn)確地考核電機的相關(guān)參數(shù)，因此，在電機設(shè)計中，有必要對電機的感應(yīng)電動勢及感應(yīng)電動勢常數(shù)加以重視。

1.2 感應(yīng)電動勢波形討論

為了對永磁同步電機進行矢量控制，感應(yīng)電動勢的波形應(yīng)盡量選擇正弦波。感應(yīng)電動勢波形與電機的結(jié)構(gòu)有關(guān)，特別是電機轉(zhuǎn)子的磁鋼形式。

1)感應(yīng)電動勢波形的平滑程度與結(jié)構(gòu)有關(guān)。

永磁同步電機定子相同，轉(zhuǎn)子不同，一種是徑向內(nèi)嵌式磁鋼，另一個是切向內(nèi)嵌式磁鋼，第三種是表貼式偏心斜極磁鋼，圖1～圖3分別是三種電機的感應(yīng)電動勢。很明顯，表貼式轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動勢波形更接近正弦波形狀，非常平滑。

圖1 徑向內(nèi)嵌式電機感應(yīng)電動勢波形

圖2 切向內(nèi)嵌式電機感應(yīng)電動勢波形

圖3 表貼式電機感應(yīng)電動勢波形

2)電機的感應(yīng)電動勢受電機槽、極配合的CT、KL影響很大

同樣是12槽，一個是8極(CT=4)，一個是10極(CT=2)，感應(yīng)電動勢波形的正弦度是不一樣的。比較如圖4、圖5所示。

圖4 12槽8極感應(yīng)電動勢波形

圖5 12槽10極感應(yīng)電動勢波形

另外，并非電機轉(zhuǎn)子越多，感應(yīng)電動勢波形越好。如12槽16極(CT=4)，其感應(yīng)電動勢波形如圖6所示，和12槽8極(CT=4)的波形正弦度一樣。而12槽14極(CT=2)的感應(yīng)電動勢波形如圖7所示，和12槽10極(CT=2)的幾乎相同。

圖6 12槽16極感應(yīng)電動勢波形

圖7 12槽14極感應(yīng)電動勢波形

因此，要電機的感應(yīng)電動勢波形的正弦度好，電機槽、極配合的評價因子CT就要小。

3)定子斜槽或轉(zhuǎn)子直極錯位可以提高感應(yīng)電動勢的正弦度

電機的定子斜槽或轉(zhuǎn)子直極錯位對感應(yīng)電動勢正弦度影響很大，下面對3 kW永磁同步電機的轉(zhuǎn)子進行變化分析。

電機直極的感應(yīng)電動勢如圖8所示，此時定子槽口高和槽肩角都較小。

圖8 12槽10極內(nèi)嵌式電機感應(yīng)電動勢波形

如圖9所示，如果改進轉(zhuǎn)子形狀(松下電機有類似結(jié)構(gòu))，對電機的感應(yīng)電動勢波形影響不大。

圖9 12槽10極內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子凸極電機感應(yīng)電動勢波形

如圖10所示，電機直極不斜槽，僅改變電機的槽口高和槽肩角，感應(yīng)電動勢正弦度得到一定的改善。

圖10 12槽10極內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子定子槽口改變感應(yīng)電動勢波形

如圖11所示，電機轉(zhuǎn)子直極錯位(2段)，雖然電機槽口與槽肩角較小，但是對電機的感應(yīng)電動勢正弦度的改善較好。

圖11 2槽10極內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子2段直極錯位感應(yīng)電動勢波形

因此，電機的感應(yīng)電動勢波形與電機的槽、極配合，電機槽口、槽形，轉(zhuǎn)子直極錯位有相當(dāng)大的關(guān)系的。

1.3 電機的空載與負(fù)載感應(yīng)電動勢

1.4 電機槽、極配合的計算因子KL對感應(yīng)電動勢的影響

圖12～圖14是12槽4極、12槽8極和12槽14極電機的感應(yīng)電動勢比較。

圖12 12槽4極感應(yīng)電動勢波形

圖13 12槽8極感應(yīng)電動勢波形

圖14 12槽14極感應(yīng)電動勢波形曲線

表1是三種電機感應(yīng)電動勢數(shù)據(jù)對比。

表1 三種電機感應(yīng)電動勢數(shù)據(jù)對比

綜上分析，電機的感應(yīng)電動勢與槽、極配合有關(guān)，電機的評價因子CT相同時，電機的計算因子KL對感應(yīng)電動勢的波形影響很大。計算因子KL越小，感應(yīng)電動勢的幅值和波形的正弦度就越好。如果電機槽、極配合的計算因子KL大，則該電機存在著感應(yīng)電動勢正弦度差的先天不足，要采取多種手段才能提高感應(yīng)電動勢波形的正弦度。

1.5 感應(yīng)電動勢的設(shè)置技術(shù)

內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子的d,q軸反應(yīng)電抗相差大，對電機弱磁調(diào)速起很大作用，但是在直槽時其感應(yīng)電動勢波形不算太好，這樣控制器的矢量控制算法就比較復(fù)雜，要求要高；否則會帶來了振動、噪聲等問題。從上節(jié)看，改善內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動勢波形的正弦度，可以從如下方面著手：

1)選用CT,KL較小的槽、極配合；

2)增加槽口高和增大槽肩角，減小磁密的飽和度；

3)進行電機斜槽或轉(zhuǎn)子多段直極錯位，這是改善電機感應(yīng)電動勢正弦度的最好措施。

電機的轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)很大程度上影響了電機的感應(yīng)電動勢的波形，這是在設(shè)計電機時應(yīng)該考慮的。

1.6 測試永磁同步電機感應(yīng)電動勢的性能

永磁同步電機設(shè)計后計算出電機的感應(yīng)電動勢E，按設(shè)計數(shù)據(jù)進行永磁同步電機的試制，對試制的永磁同步電機進行感應(yīng)電動勢的測試，如果所測出的感應(yīng)電動勢E的大小與設(shè)計時的感應(yīng)電動勢相差甚大，那么電機在生產(chǎn)中的某些環(huán)節(jié)肯定出了問題。

首先，檢查設(shè)計中是否有哪些環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題；其次檢查電機的制造過程中電機結(jié)構(gòu)、材料是否與設(shè)計數(shù)據(jù)相同，檢查電機繞組匝數(shù)和接線是否正確，轉(zhuǎn)子磁鋼材料是否是設(shè)計所指定的材料等等，最終會找出問題所在環(huán)節(jié)。

永磁同步電機在設(shè)計和制造過程中，必須對電機的感應(yīng)電動勢有相當(dāng)大的研究和關(guān)注，只要抓住了感應(yīng)電動勢的主要矛盾，永磁同步電機的設(shè)計和制造就不會出現(xiàn)很大的偏差。