转子槽数对电动汽车用异步电机性能的影响

1、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 )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：TM354 Effect of the

2、Rotor Slot Number on the Performance of the Introduction Motor in Electric VehiclesWang Xiaoyuan，Zhao Yushuang，Gao Miao(School of Electrical Engineering& Automation，Tianjin University，TianJin， China)ABSTRACT: A high power density asynchronous motor in electric vehicles was introduced. A brief analys

3、is on additional loss and maximum torque was presented. And six types of motors with different rotor slot number were analyzed with field-circuit coupled finite element method. The stators were identical in all motors. Their electromagnetic characteristics, including magnetic flux density, ripple to

4、rque, maximum torque, and full-load loss, were extracted and compared with each other. Finally, the proper number of rotor slots in combination with stator slot numbers was concluded. The paper will provide motor designers useful insights on the effect of the number of slots on the performance of in

5、duction motors in electric vehicles. KEY WORDS：electric vehicles; rotor slot number; finite element method; electromagnetic characteristic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

6、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

7、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 (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

8、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 (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

9、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: (3) 式中，p为电机极对数；U1为输入电压；R1为定子电阻；为定子漏抗；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： (4)式中，l2为转子铁芯长；p为电机极对数；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

10、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

11、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，转子槽数话式g2222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222Z244,46,48,52,60,64,72。本文分别对转子槽数Z2为38，50，56，62

12、，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.1 Parameters of the induction motor in Electric Vehicles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域。为了

13、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： (5)式中，为气隙中磁链；，分别为定子端的漏抗和电阻；为定子绕组电流；为激励电压。 瞬态电磁场的边值问题为11-13： (6)式中：为矢量磁位；为导磁材料的磁导率；为电流密度；为转子中铜条的电导率。等价的泛函问题为14： (7)式中：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

14、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 (8)式中：，为系数；为转子导条长度；为导条电阻系数；为转子导条面积，即转子槽面积；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，应使项相等，即各槽数下的电机转子槽

15、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

16、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.1 The harmonic content distribution of the air gap magnetic flux density for the motor with different rotor slots 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

17、变率越小，从而定子绕组中谐波电流越小。表2 不同槽数电机的波形畸变率Tab.2 The THD comparison between different rotor slots of the induction motor转子槽数波形畸变率380.4751500.4507560.4238620.3473680.3125740.30064.2.3不同槽数电机的磁密分布对比分析不同转子槽数下电机的磁密分布如图2所示。由图2可以看出，电机磁密均有不同程度的局部饱和，主要体现在定、转子齿的根部以及定子轭部部。通过对各磁密分布云图的比较可知，随着转子槽数的增加，磁密幅值降低。这是由于随着转子槽数的增加，

18、受齿槽效应的影响，气隙中磁阻增加，导致气隙磁通下降，定转子磁密下降，将造成电机铁耗有所下降。(a) 38槽 (b) 50槽 (c) 56槽 (d) 62槽 (e) 68槽 (f) 74槽图2 不同槽数下的磁密分布云图Fig.2 The flux density distribution for the motor with different rotor slots4.2.4不同槽数电机的输出转矩对比分析不同槽数电机的输出转矩波动情况如图3所示。由该图比较可知，56槽时转矩波动最大，在平均转矩143.87上下波动近9，其他槽数下转矩波动为13.5，波动小，转矩输出平稳。 (a) 38槽 (b)

19、 50槽(c) 56槽 (d) 62槽 (e) 68槽 (f) 74槽图3 不同槽数下的输出转矩Fig.3 The torque for the motor with different rotor slots5 电机损耗和性能的分析电机总损耗包括定转子的铜耗、铁耗、附加损耗以及机械损耗。由第二部分的理论分析可知，转子槽数的变化使得电机附加损耗变化。目前在实际工程计算中，由于尚没有一种准确计算杂散损耗的模型，附加损耗值一般按经验值选取。因此结合有限元软件，本文仅讨论了转子槽数对定转子铜耗和铁耗的影响，并进一步对不同槽数下的电机各性能参数进行了对比分析。5.1 电机铜耗分析改变转子槽数，研究其对

20、电机定转子铜耗的影响，通过仿真得到不同槽数下定转子的铜耗大小如图4所示。从图中可以看出，随着转子槽数的增加，定子铜耗下降，转子铜损增加，其中，50槽对应的转子铜耗最低。图4 不同槽数下的定转子铜耗Fig.4 The copper loss for the motor with different rotor slots对于定子铜损来说，随着转子槽数的增加，定子绕组中谐波电流减小，使得定子电流降低，定子铜损减少。对于转子铜损来说，随着转子槽数的增加，转子高频电流损耗增加，转子铜耗增加。由于采用近槽配合时，转子高频电流较小，因而使得50槽对应的转子铜耗最低。5.2 电机铁耗分析铁耗主要由磁滞损耗及

21、涡流损耗组成，其大小与电机频率和磁密有关，电机的频率和磁密幅值越大，电机铁耗越大。由于所设计电机为高速电机，额定转速时电机频率为200Hz，与普通低频低速电机相比，本文所设计的电机铁耗较大。改变转子槽数，研究其对电机铁耗的影响，通过仿真得到不同槽数下电机铁耗大小如图5所示。图5 不同槽数下的电机铁耗Fig.5 The core loss for the motor with different rotor slots.从图5可以看出，随着转子槽数的增加，电机铁耗有所下降。结合图2中电机磁密分布的规律可知，定、转子齿部和轭部磁密随转子槽数的增加而减小，因而使得电机铁耗随槽数的增加而降低。从图5还

22、可以看出，铁耗下降幅度不大。5.3 电机性能对比由于采用通用变频器供电，对于电动汽车用异步电机来说，启动性能可以不必过多考虑。考虑到所设计电机为高功率密度电机，与同功率的传统电机相比，该款电机体积要小得多，因此在设计时应保证电机定子电密不宜过大，同时电机应保证有较大的过载能力。将仿真得到的不同槽数下的电机性能进行对比，结果如表3所示。从表3可以看出，随转子槽数的增大，定子电流下降，最大转矩变大，其中56槽和68槽由于是极数的整数倍，漏抗很小，输出的最大转矩很大。由表3进一步分析可知，不同槽数下的电机效率相差很小，仅相差0.5%，说明转子槽数的变化对电机效率的影响较小。由表3还可以看出，不同槽数

23、下的电机功率因数变化范围为0.8360.853，差别较小。因此定子电流和最大转矩成为考核不同槽数电机性能好坏的主要指标。通过比较发现，转子槽数选为68时，既保证电机有较低的定子电密，又使电机有较大的过载能力，因此转子槽数选为68较为合适。结合第五部分中不同槽数下的电机磁密分布和转矩波动情况，与56槽相比，当槽数为68槽时，电机输出转矩的波动性降低，平稳性更好；电机磁密分布合理，饱和程度更小，磁负荷降低，符合电动汽车对牵引电机的要求。表3不同槽数下的电机性能Tab.3 Performance comparison between different rotor slots of the indu

24、ction motor槽数定子电流/A效率/%最大转矩/Nm功率因数38185.5391.75218.020.836350182.4791.97228.430.845456181.4691.85262.570.848662180.8291.69228.550.850468180.1791.55252.930.851374179.9991.47231.670.85266 结论本文针对电动汽车用笼形异步电机，采用场路耦合有限元的方法研究了不同转子槽数对电机性能的影响，包括电机的磁密分布，输出转矩的波动性，电机的铜耗和铁耗，效率和最大转矩等情况。通过对比分析电机各电磁性能参数的变化，得出当转子槽数为

25、68槽时，电机性能最好，且符合电动汽车对牵引电机的要求。参考文献1 秦和关于小型三相鼠笼型异步电动机附加损耗与转矩曲线的计算J，中小型电机，1977.Qin He. Calculation of small three-phase squirrel-cage asynchronous motor about additional loss and torque curveJ，Small & Medium Electric Machines，1977.2 程雪玲，吴泰，马砚芳定转子槽配合对高压异步电动机温升的影响J防爆电机， 2013，48(173)：14-17 Cheng Xueling，Wu

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