转子槽数对电动汽车用异步电机性能的影响

天津大学学报(自然科学与工程技术版)JournalofTianjinUniversity(ScienceandTechnology)基金项目：国家863高技术基金资助项目（2011AA11A259）作者简介：王晓远(1962－)，男，博士，教授．通讯作者：王晓远，[e-mail]．转子槽数对电动汽车用异步电机性能的影响王晓远，赵玉双，高淼(天津大学电气与自动化工程学院天津300072)摘要：介绍了一种应用在电动汽车上的高功率密度异步电机。将转子槽数对附加损耗和最大转矩的影响首先做了简要的分析，然后通过场路耦合的有限元方法对六种不同转子槽数下的电机电气性能作了仿真分析，研究了电机的气隙磁密波形，电机的磁密分布以及输出转矩的波动情况，并计算了电机满载时的铜耗和铁耗，进行了性能参数的比较，最终得到了合理的转子槽数。在电动汽车用异步电机转子槽数的选择方面将为电机设计者提供较好的指导意义。关键词：电动汽车；转子槽数；有限元；性能参数；中图分类号：TM354EffectoftheRotorSlotNumberonthePerformanceoftheIntroductionMotorinElectricVehiclesWangXiaoyuan，ZhaoYushuang，GaoMiao(SchoolofElectricalEngineering&Automation，TianjinUniversity，TianJin，300072China)ABSTRACT:Ahighpowerdensityasynchronousmotorinelectricvehicleswasintroduced.Abriefanalysisonadditionallossandmaximumtorquewaspresented.Andsixtypesofmotorswithdifferentrotorslotnumberwereanalyzedwithfield-circuitcoupledfiniteelementmethod.Thestatorswereidenticalinallmotors.Theirelectromagneticcharacteristics,includingmagneticfluxdensity,rippletorque,maximumtorque,andfull-loadloss,wereextractedandcomparedwitheachother.Finally,thepropernumberofrotorslotsincombinationwithstatorslotnumberswasconcluded.Thepaperwillprovidemotordesignersusefulinsightsontheeffectofthenumberofslotsontheperformanceofinductionmotorsinelectricvehicles.KEYWORDS：electricvehicles;rotorslotnumber;finiteelementmethod;electromagneticcharacteristic目前电机设计资料推荐的一些槽配合和列出的一些槽配合规则，为异步电机设计提供了方便。但对某些特定场合的电机，如用于电动汽车上的异步电机，要求电机过载能力强以满足汽车短时加速或爬坡的需要，要求功率密度高和有好的效率，从而能够降低车重，延长续驶里程等，按现行的槽配合选择难以实现上述要求。因此，针对电动汽车用异步电机进行定转子槽数配合的研究是很有意义的。如何选择合适的定、转子槽配合来获取电机满意的性能参数，一直是各电机制造厂商非常关注的问题。国内，电机一般采用转子槽数小于定子槽数的槽配合；而在国外，为了保证电机的某些方面的性能，一些厂家会采用转子槽数大于定子槽数的槽配合。本文以一台应用于电动汽车上的高功率密度鼠笼式异步电机为研究对象，极数为4，定子槽数为48，通过场路耦合的有限元方法对转子槽数分别为38，50，56，62，68，74六种情况下的电机做了电磁性能分析，结果表明转子槽数为68时，有更好的电气性能输出。1转子槽数对附加损耗的影响异步电机的附加损耗主要由气隙谐波磁通引起。这些谐波磁通在定、转子铁心中产生高频铁耗(包括表面损耗和齿部脉振损耗)，在鼠笼转子中产生高频电流损耗(主要包括斜槽转子的横向电流损耗)。1.1表面损耗的影响表面损耗是在定、转子叠片铁心表面由气隙谐波磁场引起的涡流与磁滞损耗[1]。表面损耗与气隙谐波磁场的幅值和频率密切相关，而气隙谐波中以定、转子齿谐波磁通的作用最为显著。由于齿谐波的大小和电机槽数成反比，因而表面损耗幅值与定、转子的槽数多少有关。表面损耗与槽数的近似关系有[2]2天津大学学报(自然科学与工程技术版)Bm1PZ(1~1.5)m(1)可以看出定、转子槽数越大，表面损耗就越小。1.2脉振损耗的影响脉振损耗是由于铁心表面开槽,一部分气隙谐波磁场经过齿部，其大小随谐波磁场与齿的相对位置不同而改变，在齿部产生脉振磁通,所引起的涡流与磁滞损耗[1]。脉振损耗也与齿谐波有关，因此与定、转子槽数的相对值，即槽配合有关。脉振损耗随槽配合变化的近似关系[2]21l12sinZZPZZ(2)从这个公式可以推出只有在定、转子槽数相等时，脉振损耗才最小。因此为了降低脉振损耗，应使定、转子槽数尽量接近。1.3横向电流损耗当气隙谐波磁场相对于转子运动时，在导条中感应出高频电势。对于笼形转子，导条与铁心不绝缘，所以除了导条中通过电流外，在相邻导条之间的铁心中也有电流流通，即所谓横向泄漏电流[3]。这两部分电流均会产生高频损耗。在一般斜槽电机中，横向电流损耗往往占有较大比例，这种损耗与谐波磁场在相邻的导条上所感应电势的差值、转子槽数以及转子的谐波漏抗大小有关。当采用少槽近槽配合时，谐波电流较小。2转子槽数对电机最大转矩的影响过载能力是电动汽车用异步电机重要的性能指标之一，电机的最大电磁转矩越大表明电机的过载能力越强。最大转矩表达式如下[4]:212'2111234[()]mpUTfRRXX(3)式中，p为电机极对数；U1为输入电压；R1为定子电阻；'1X为定子漏抗；'2X为折算到定子侧的转子漏抗。由公式(3)可以看出，电机的最大转矩与转子漏抗有关。转子漏抗主要包括槽漏抗、谐波漏抗、端部漏抗和斜槽漏抗，其中槽漏抗在转子漏抗中所占比例较大，槽漏抗表达式如下[5]：2223sseflpxlQ(4)式中，l2为转子铁芯长；p为电机极对数；2s为转子槽单位漏磁导；lef为铁芯有效长；Q2为转子槽数。由公式(4)可知，在一定的转子槽数范围内，随着槽数的增多，转子漏抗将逐渐减小，最大转矩增大。3电机参数和转子槽数选择本文所设计的电动汽车用鼠笼式异步电机功率密度为1.5KW/Kg，为高功率密度电机。电机参数如表1所示。电机在实际应用中采用变频器供电，而在设计电机时，一般采用正弦电压供电。因此本文仿真采用正弦电压为激励方式。为研究转子槽数对电机性能的影响，本文将对不同转子槽数的电机进行分析。转子槽数越少，电机齿槽效应越明显，谐波电流越大，电机损耗越大；而在电机尺寸不变的情况下，转子槽数越多，转子电流密度越大，转子损耗就越大。因此，电机转子槽数不宜过少也不宜过多。由于电机常用槽配合中，定子48槽时转子为38槽[4]，因此本文取38槽为待选的转子最小槽数；同时，考虑到所设计电机转速很高，最高转速可达到13000r/min，转子叠片承受的离心力很大。而转子槽数过多会造成转子叠片机械强度降低，这将大大降低电机转子在高速旋转时的可靠性。因此从机械强度方面考虑，74槽为待选的转子最大槽数。为避免产生较大的同步谐波转矩[6]，转子槽数Z2≠44,46,48,52,60,64,72。本文分别对转子槽数Z2为38，50，56，62，68，74时的电机进行了仿真分析。表1电动汽车用异步电机的相关参数Tab.1ParametersoftheinductionmotorinElectricVehicles定子外径202mm定子内径121.4mm铁芯长150mm气隙长0.7mm定子槽48电机极对数2额定功率85KW额定转速6000r/min4基于有限元的电机仿真分析4.1电机有限元方程的建立对笼形转子异步电机进行二维有限元仿真求解，在电磁场的求解过程中假定：1）定子铁心外圆的漏磁忽略不计；2）电磁场的各常量随时间呈正弦规律变化；3）忽略定子绕组的涡流。进行上述假设后，将整个电机区域作为求解区王晓远等：转子槽数对电动汽车用异步电机性能的影响分析域。为了提高电机磁路计算的准确性,采用二维瞬态场路耦合有限元法[7]-[10]对电机进行建模，即磁场部分定子线圈与外电路部分线圈关联，转子导条的耦合块导体与路部分的块导体关联；定转子端部的阻抗与漏感再通过电阻与电感进行近似等效，并在电路模型中与路部分的线圈或路部分导条相联。这样在激励为外加电压时，电机端电压方程为：0dd[][][][][][]ddLIRIVtt(5)式中，为气隙中磁链；0L，R分别为定子端的漏抗和电阻；I为定子绕组电流；V为激励电压。瞬态电磁场的边值问题为[11]-[13]：zzz01z11()():0AAAJxxyytSA(6)式中：zA为矢量磁位；为导磁材料的磁导率；0J为电流密度；为转子中铜条的电导率。等价的泛函问题为[14]：22zzz(A)0zz1z1[()()]ddmin22:0AAAvWJAAxyxytSA(7)式中：v为导磁材料的磁导率。将式(6)中的边值问题转化为(7)中的条件变分问题后，对整个电机模型进行有限元剖分，做离散化处理，再通过求解相应的代数方程，即可求得磁场中各点的磁位函数，进而求得电磁场中的相关的电磁量。4.2不同槽数电机的有限元仿真4.2.1不同槽数电机仿真的限制条件在研究转子槽数对电机的影响时，首先应保证6种不同转子槽数的电机定子结构参数和电机极数始终保持一致。其次，为保证槽数为单一变量，在槽数变化时应保证不同电机转子槽中总导条电阻相同。电机转子导条电阻为BB2BBBklRKAQ＝(8)式中：K，Bk为系数；Bl为转子导条长度；B为导条电阻系数；BA为转子导条面积，即转子槽面积；2Q为转子槽数。由式(8)可以看出，为保证不同槽数下的电机转子槽中导条电阻相同，应使项B2AQ相等，即各槽数下的电机转子槽总面积要保持不变。由于转子槽开口宽度不同，对气隙磁场的影响程度不同，为更好得研究转子槽数对电机的影响，最后应保证转子槽总开口宽度保持不变[15]。4.2.2不同槽数电机的气隙磁密谐波含量对比分析采用有限元软件对不同槽数配合下的电机进行仿真分析，得到了槽数对性能参数的影响。额定负载下，不同转子槽数下电机的气隙磁密分布不同，为比较各气隙磁密波形的谐波分量，将其进行谐波频谱分析，得到了各阶次谐波含量的频谱图，如图1所示。由图1可以看出，56槽和68槽对应的气隙磁密波形中不含偶数次谐波，68槽和74槽谐波含量很少。为更好的体现波形的畸变情况，对各个槽数下的气隙磁密波形进行了波形畸变率的计算，如表2所示。从表2可知，槽数越多，气隙磁密畸变率越低。这是由于槽数越多，转子开槽对气隙磁导的影响就越均匀。因而选择较大的槽数会使得气隙磁密的谐波含量更少。(a)38槽(b)50槽(c)56槽(d)62槽(e)68槽(f)74槽图1不同槽数电机的气隙谐波含量分布Fig.1Theharmoniccontentdistributionoftheairgapmagneticfluxdensityforthemotorwithdifferentrotorslots通过对不同槽数电机气隙磁密的比较分析，可以得出，转子槽数越多，气隙磁密谐波含量越低，波形畸变率越小，从而定子绕组中谐波电流越小。表2