定子槽口寬度對同步電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響研究

魏士文 張洪信 趙清海

摘要： ?針對定子槽口寬度對永磁同步電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響問題，探討定子槽口寬度與轉(zhuǎn)子渦流損耗之間的關系。以額定功率為18 kW的四極機電液耦合器表貼式永磁同步電機為例進行研究。同時，采用Ansys EM電磁場軟件，建立電機二維有限元模型，在定子槽口不同寬度下，對氣隙磁場諧波幅值的變化與轉(zhuǎn)子上電渦流密度分布情況進行分析，分析磁場諧波幅值、轉(zhuǎn)子電渦流密度與定子槽口寬度的關系。仿真結(jié)果表明，氣隙磁場中的一階齒槽諧波幅值最大，且其幅值隨槽口寬度的增加而增大;渦流主要集中在轉(zhuǎn)子表層，轉(zhuǎn)子表層渦流密度隨槽口寬度的增加而增大;轉(zhuǎn)子中渦流損耗隨槽口寬度的增加而增大，且渦流損耗與槽口寬度成二次函數(shù)關系。該研究為永磁同步電機定子槽型的優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。

關鍵詞： ?表貼式永磁同步電機; 槽口寬度; 氣隙磁場諧波; 電渦流密度; 渦流損耗

中圖分類號： TM341 ?文獻標識碼： A

3.2.2 轉(zhuǎn)子渦流

氣隙中的磁場頻域分解后，除基波磁場與轉(zhuǎn)子無相對速度外，其諧波將在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生交變電磁場，導致轉(zhuǎn)子及護套中產(chǎn)生感應電渦流，對其進行有限元仿真計算，轉(zhuǎn)子中感應電渦流密度云圖如圖8所示。由圖8可以看出，轉(zhuǎn)子護套中的電渦流密度最大，而轉(zhuǎn)子內(nèi)部的轉(zhuǎn)子軸、柱塞以及永磁體中的電渦流密度基本為零。其主要原因如下：

1） 轉(zhuǎn)子護套材料的電導率遠大于轉(zhuǎn)子其他部分材料的電導率（轉(zhuǎn)子護套材料為鋁合金，其電導率為3.6×107 S/m，永磁體材料為N39UH，其電導率為714 286 S/m）。

2） 轉(zhuǎn)子護套對轉(zhuǎn)子內(nèi)部起電磁屏蔽作用，當氣隙諧波分量進入電導率較大的護套之后，將在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流，此渦流的反作用會使進入電機轉(zhuǎn)子內(nèi)部的磁場諧波分量減少[1920]。

在轉(zhuǎn)子半徑線上，電渦流密度沿轉(zhuǎn)子半徑線分布曲線如圖9所示，轉(zhuǎn)子內(nèi)部電渦流密度基本為零，渦流主要集中在轉(zhuǎn)子護套上，且在轉(zhuǎn)子護套內(nèi)表面到外表面電渦流密度逐漸增大。

當槽口寬度Bs0分別取2 mm，4.5 mm和6 mm時，轉(zhuǎn)子外表層電渦流密度隨圓周長度變化曲線如圖10所示。由圖10可以看出，隨著槽口寬度Bs0的增大，電渦流密度增大。

在轉(zhuǎn)子外表層，電渦流密度有效值隨槽口寬度變化曲線如圖11所示。由圖11可以看出，電渦流密度有效值隨槽口寬度的增加而增大。

3.2.3 渦流損耗

轉(zhuǎn)子上的渦流損耗包括轉(zhuǎn)子鐵芯及轉(zhuǎn)子護套上的渦流損耗，運用Ansys EM電磁場仿真軟件，對電機模型進行計算，當槽口寬度Bs0分別取2 mm，4.5 mm和6 mm時，轉(zhuǎn)子渦流損耗隨時間變化曲線如圖12所示。由圖12可以看出，電機穩(wěn)定后，Bs0取2 mm時的渦流損耗最小，且脈動最小;Bs0取6 mm時的渦流損耗最大，且脈動最大，這與氣隙中電磁場諧波幅值大小及轉(zhuǎn)子上的電渦流密度大小仿真結(jié)果一致。對Bs0取不同值（2～6 mm）時的9個電機模型進行仿真，并取電機穩(wěn)定后一個周期內(nèi)的轉(zhuǎn)子渦流損耗有效值，對各點進行曲線擬合，轉(zhuǎn)子渦流損耗隨槽口寬度變化曲線如圖13所示。由圖13可以看出，轉(zhuǎn)子上的渦流損耗隨槽口寬度的增加而增大，且成二次函數(shù)關系。

4 結(jié)束語

本文主要研究了定子槽口寬度變化對同步電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。利用Ansys EM電磁場軟件，對18 kW耦合器用同步電機進行二維建模與仿真計算，分析了不同槽口寬度時，氣隙中諧波磁場幅值變化及轉(zhuǎn)子中電渦流密度分布情況，并通過曲線擬合的方法，得到該電機模型轉(zhuǎn)子渦流損耗與定子槽口寬度的函數(shù)關系。仿真結(jié)果表明，負載時的氣隙磁場發(fā)生畸變，其中一階齒槽諧波（550 Hz，650 Hz）幅值最大，且諧波幅值隨槽口寬度的增加而增大;受肌膚效應及電磁屏蔽的影響，渦流主要集中在轉(zhuǎn)子護套表面，轉(zhuǎn)子外表層處電渦流密度隨槽口寬度的增加而增大。定子槽口寬度的增加將引起轉(zhuǎn)子中渦流損耗的增大，對本文中的電機模型，轉(zhuǎn)子中渦流損耗與槽口寬度成二次函數(shù)關系。該研究對永磁同步電機定子槽型的優(yōu)化設計具有一定的參考意義。

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