王艾萌, 李姍姍, 李大雙

(華北電力大學(xué) 電力工程系,河北 保定 071003)

0 引 言

定子的模塊化解決了巨型風(fēng)機的制造、運輸、安裝和維修問題，再結(jié)合分數(shù)槽集中繞組(FSCW)的結(jié)構(gòu)，在實際生產(chǎn)中可分別在各模塊定子上繞線，再裝配到一起，簡化了裝配工藝也提高了槽滿率，并且可在定子間隙中裝設(shè)冷卻裝置，用于提高功率密度和效率，維修時只需拆下故障相的定子模塊即可。

有大量文獻對定子模塊化電機進行了研究。文獻[1]介紹了T型和齒軛分離型模塊化結(jié)構(gòu)，并重點研究了齒軛分離型電機均勻與不均勻的裝配間隙對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。文獻[2]提出了一種U型模塊化定子永磁電機，該定子結(jié)構(gòu)減輕了磁飽和，提高了磁通調(diào)節(jié)比，并且因消除了偶數(shù)次諧波，特定槽極配置的電機具有較高的平均轉(zhuǎn)矩和較低的轉(zhuǎn)矩脈動。文獻[3]研究了E型模塊化電機的電磁性能，發(fā)現(xiàn)多極少槽時電機的輸出轉(zhuǎn)矩和效率有所提升。文獻[4]表明合理選取裝配間隙的寬度可以減小閉口槽模塊化電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，提高氣隙磁密基波輻值，削弱諧波含量。文獻[5]中利用模塊化的定子間隙裝設(shè)冷卻裝置，可以有效帶走機體的熱量，提高電機的效率。文獻[6]提出了一種采用Π型定子鐵心的新型永磁電機，由于采用對稱磁路，可以實現(xiàn)三相空載磁鏈和空載電動勢的平衡，從而輸出平滑的轉(zhuǎn)矩。另外，在磁鏈、空載電動勢、齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩能力等方面，將Π型定子鐵心與傳統(tǒng)的E型定子鐵心的電機也進行了比較。文獻[7]指出合理的定子模塊化能有效降低永磁電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，極大改善電機性能。文獻[8]利用有限元軟件驗證了航空領(lǐng)域永磁電機采用定子模塊化具有可行性并能大大提高電機效率、降低生產(chǎn)成本。文獻[9]提出定子模塊化會影響齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值和周期，利用有限元軟件和采用磁等效電路法對齒槽轉(zhuǎn)矩變化進行驗證。定子模塊化設(shè)計可作為研究電機損耗的新方向。文獻[10]比較了分段定子結(jié)構(gòu)采用粘接疊層與穿孔切口兩種方式，研究表明定子模塊化可以改善生產(chǎn)過程，降低鐵耗，并減少電機制造對楔形的依賴。

但目前尚未有定子模塊化類型與永磁電機性能優(yōu)劣的分析對比，本文以定子一體式分數(shù)槽永磁電機為參考，設(shè)計了四種定子模塊化結(jié)構(gòu)的分數(shù)槽永磁電機，分析了不同的模塊化結(jié)構(gòu)對電機性能的影響，并改進了對應(yīng)的齒尖結(jié)構(gòu)從而進一步提高電機性能。

1 分數(shù)槽永磁電機結(jié)構(gòu)及其模塊化改造

分數(shù)槽永磁電機在結(jié)構(gòu)上是完全對稱的，定子與轉(zhuǎn)子通過氣隙耦合實現(xiàn)電機運行的能量轉(zhuǎn)換。分數(shù)槽定子繞組結(jié)構(gòu)可分為全齒繞組和隔齒繞組，如圖1所示。全齒繞組即每個齒上均有繞線，而隔齒是指在相鄰兩個齒上僅有一個繞組，有繞組的齒則稱為纏繞齒，沒有繞組的齒則稱為非纏繞齒。

圖1 分數(shù)槽定子繞組結(jié)構(gòu)

隔齒繞組電機可以通過改變纏繞齒和非纏繞齒的寬度比，使纏繞齒寬度接近一個極距從而增大繞組利用率。對比全齒繞組，隔齒繞組由于物理結(jié)構(gòu)的有效隔離,使得各相繞組間的互感降低，自感增加，從而使故障相與正常相的耦合減小，限制電機的短路電流。

定子模塊化的改造使隔齒繞組電機可以在非繞線齒中插入定子間隙，使全齒繞組電機可以在定子軛插入專門用來進行物理隔離和輔助散熱的隔離塊。模塊化分數(shù)槽永磁電機因其特有的模塊化定子結(jié)構(gòu)，各相繞組在物理空間上相對獨立，避免了故障相對正常相的影響，電機在故障情況下也能保證可靠的容錯運行，并有效提高電機在故障情況下的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

本文以隔齒繞組電機為對象進行定子模塊化的研究。定子模塊化電機有C型、E型、T型和齒軛分離型。其中，T型和齒軛分離型模塊化定子間隙是由于裝配精度的限制而保留的，不具有隔磁作用，因此將該類電機視作非隔磁類模塊化電機。E型定子在非纏繞齒中插入了定子間隙，而C型定子的纏繞齒和非纏繞齒均插入了定子間隙，二者的定子間隙均是為了隔磁而插入，因此將該類電機視作隔磁類模塊化電機。

2 模塊化永磁電機的設(shè)計及有限元建模

本文的研究對象是12槽10極和12槽14極電機，下面以12槽10極為例展示4種定子模塊化，利用有限元軟件搭建了的隔磁類和非隔磁類永磁電機，如圖2和圖3所示。在圖2中，T型是將各個齒分段，而齒軛分離型是將整個齒與軛分離成兩部分，并將開口槽變?yōu)殚]口槽。隔齒FSCW的采用將定子齒分為纏繞齒和非纏繞齒，E型定子和C型定子均屬于隔磁類模塊化電機，兩者的區(qū)別在于定子鐵心的纏繞齒是否隔插入定子間隙，如圖3所示。

圖2 非隔磁類電機模塊化結(jié)構(gòu)圖

圖3 隔磁類電機模塊化結(jié)構(gòu)圖

非隔磁類電機的定子間隙比隔磁類電機的小，本文中隔磁類電機的定子間隙取值范圍為1～5 mm，而非隔磁類模塊化電機的定子間隙取值范圍為0.05～0.25 mm。電機的其他參數(shù)設(shè)計值如表1所示。

圖4給出了4種不同模塊化結(jié)構(gòu)的空載磁力線分布，說明各電機磁力線分布合理。T型和齒軛分離型電機的定子間隙不起隔磁的作用，因此磁力線全部經(jīng)過定子間隙；E型和C型模塊化電機的定子間隙起隔磁作用，因此僅有極少量的磁力線經(jīng)過定子間隙進入相鄰鐵心模塊。

表1 分數(shù)槽永磁電機主要設(shè)計參數(shù)

圖4 4種模塊化電機的磁力線分布

3 有限元仿真分析

隔磁類模塊化電機的齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖5所示。對于隔磁類模塊化電機，采用12槽的E型模塊化電機，其定子分為了6個模塊，而C型模塊化電機的定子分為了12個模塊。所以電機每轉(zhuǎn)一圈，E型模塊化電機的齒槽轉(zhuǎn)矩頻率為6p，而C型模塊化電機的齒槽轉(zhuǎn)矩頻率為12p，與一體式電機相同。

圖5 隔磁類模塊化電機的齒槽轉(zhuǎn)矩波形

圖6給出了定子模塊化類型對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。由分析可知：非隔磁類模塊化電機中的齒軛分離型模塊化電機可以極大程度降低齒槽轉(zhuǎn)矩。隔磁類模塊化電機中12槽10極電機更適合采用C型2 mm/4 mm模塊化結(jié)構(gòu)降低齒槽轉(zhuǎn)矩；12槽14極電機更適合采用C型2 mm降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

圖6 定子模塊化類型對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

隔磁類電機的定子間隙會造成氣隙磁密波形畸變，原理與槽開口相同。另外，波形取最值的次數(shù)與極對數(shù)有關(guān)。齒軛分離型既不含開口槽又沒有隔磁間隙，氣隙磁密最為平滑，如圖7所示。圖7(a)為12槽10極一體式電機和非隔磁類模塊化電機的空載氣隙磁密仿真波形，圖7(b)為12槽14極一體式電機和隔磁類模塊化電機的空載氣隙磁密仿真波形。圖7中的橫坐標(biāo)代表轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械角度，顯示了當(dāng)電機轉(zhuǎn)子在空間旋轉(zhuǎn)半圈(180°機械角度)時氣隙磁密的變化，可以看出不同槽極配置的電機由于極對數(shù)不同導(dǎo)致氣隙磁密波形的周期數(shù)也不同，12槽10極電機的工作波取波形最值的次數(shù)為5，12槽14極電機的工作波取波形最值的次數(shù)為7。

圖7 各模塊化電機的空載氣隙磁密波形

由圖8可知，12槽10極電機的基波為5次波，12槽14極電機的基波為7次波，C型模塊化電機插入的定子間隙數(shù)是E型模塊化電機的2倍，因此C型模塊化電機的氣隙磁密基波含量最少，齒軛分離型由于采用閉口槽，氣隙磁密比T型模塊化電機高。

圖8 各模塊化電機的氣隙磁密諧波含量

4 新型齒尖結(jié)構(gòu)對電機性能的影響

4.1 纏繞齒與非纏繞齒不同時帶齒尖

在圖9和圖10中，兩個電機的區(qū)別在于纏繞齒和非纏繞齒的齒尖，即有且僅有一種齒帶齒尖。齒尖結(jié)構(gòu)因改變定子槽距從而影響繞組因數(shù)，故可對隔磁類模塊化電機的定子齒尖進一步優(yōu)化，抵消掉定子間隙使繞組因數(shù)下降的影響并提升繞組因數(shù)，提高電機的電磁和轉(zhuǎn)矩性能。

圖9 纏繞齒帶齒尖而非纏繞齒不帶齒尖

圖10 非纏繞齒帶齒尖而纏繞齒不帶齒尖

非隔磁類模塊化電機的繞組線圈節(jié)距也與一體式定子電機相同，因此非隔磁類模塊化電機同樣具有與一體式電機相等的節(jié)距因數(shù)。相反，隔磁類模塊化電機的定子中安插了間隙，有可能使槽間距發(fā)生變化，從而使節(jié)距因數(shù)也發(fā)生改變。定子間隙的增加對應(yīng)槽距的減小，當(dāng)采用纏繞齒帶齒尖結(jié)構(gòu)時齒尖寬度的增加對應(yīng)了槽距的增大，而采用非纏繞齒帶齒尖結(jié)構(gòu)時齒尖寬度的增加對應(yīng)了槽距的減小。

圖11 采用新型齒尖的E型電機節(jié)距因數(shù)

由圖11、圖12可知隔磁類模塊化電機的節(jié)距因數(shù)與定子間隙寬度和齒尖寬度的關(guān)系。圖11(a)中隨著齒尖寬度的增加，節(jié)距因數(shù)有了顯著的增大。圖11(b)中采用非纏繞齒帶齒尖的結(jié)構(gòu)不會改善節(jié)距因數(shù)，反而會使節(jié)距因數(shù)更加減小。圖11(c)中采用的纏繞齒帶齒尖結(jié)構(gòu)抵消了定子間隙寬度增加造成的槽距減小，使節(jié)距因數(shù)在定子間隙寬度小于最佳寬度時減小，而大于最佳寬度后節(jié)距因數(shù)先增大后減小。圖11(d)中當(dāng)定子間隙寬度小于一定寬度時可以提高節(jié)距因數(shù)，而大于一定寬度后隨著齒尖寬度的增加會加劇節(jié)距因數(shù)的減小。通過提高節(jié)距因數(shù)，電機性能得以提升，所以12槽10極電機適合采用纏繞齒帶齒尖結(jié)構(gòu)，而12槽14極電機適合采用非纏繞齒帶齒尖結(jié)構(gòu)。

圖12 采用新型齒尖的C型電機節(jié)距因數(shù)

4.2 反電動勢與輸出轉(zhuǎn)矩

選用第2節(jié)結(jié)論中性能最佳的隔磁類模塊化永磁電機進行齒尖結(jié)構(gòu)的研究，即12槽10極C型定子間隙寬度w0為2、4 mm和12槽14極E型定子間隙寬度w0為4 mm、C型2 mm的模塊化永磁電機，12槽10極電機的纏繞齒帶齒尖，而12槽14極電機的非纏繞齒帶齒尖，以便進一步提高電機性能。

圖13 改進齒尖結(jié)構(gòu)后的反電動勢與輸出轉(zhuǎn)矩

圖13中虛線為改變齒尖結(jié)構(gòu)前的數(shù)據(jù)，綜合來看，齒尖結(jié)構(gòu)的改進對12槽10極電機的益處更多，比如采用定子間隙為2 mm且纏繞齒齒尖為3 mm的C型模塊化電機可以提高3.9%反電動勢和3.5%的輸出轉(zhuǎn)矩；采用定子間隙為4 mm且纏繞齒齒尖為2 mm的C型模塊化電機可以提高3.08%的反電動勢與1.88%的輸出轉(zhuǎn)矩。

5 結(jié) 語

(1) 在分數(shù)槽永磁電機的基礎(chǔ)上設(shè)計了T型、E型、C型和齒軛分離型4種定子模塊化改造方案，以及新型齒尖結(jié)構(gòu)。

(2) 與一體式電機相比，模塊化電機當(dāng)定子間隙較小時，齒軛分離型模塊化電機的氣隙磁密諧波含量少，正弦型好。

(3) C型和齒軛分離型模塊化電機可以大幅降低齒槽轉(zhuǎn)矩，合理選取定子間隙時可降低60%～80%的齒槽轉(zhuǎn)矩。

(4) 12槽10極電機采用纏繞齒帶齒尖比12槽14極采用非纏繞齒帶齒尖的新型齒尖結(jié)構(gòu)的電機性能得到了較大提高。