新能源汽车电机设计：弱磁控制及转矩脉动影响

由前面分析可知，对于电机产生的齿槽转矩来说，通过槽极配合的合理选取，可以使得槽数和极数的最小公倍数N_L达到一个较大的值，进而能够达到减少齿槽转矩的目的。对于采用分数槽绕组特别是对于采用分数槽集中绕组的电机来说，其相对于整数槽绕组更容易得到较大数值的N_L，因而采用分数槽集中绕组对减少齿槽转矩更为行之有效。

同样的，对于转矩脉动的另一个主要部分——纹波转矩来说，不论在交流永磁同步电机还是在永磁直流无刷电机中，电机反电动势波形的好坏对其有着直接影响，而实际上决定反电动势波形好坏的最主要的因素就是电动势波形谐波含量的大小。

通常地，为了减少反电动势谐波常用的方法是选取合适的分布因数和节距因数。但是，对于分数槽集中绕组来说，当电机定子槽数较少时，每极每相槽数q=N/d中的分子N往往等于1，而由式（5-7）和式（5-8）可知，此时的绕组基波即各次谐波的分布因数等于1，进而想要通过绕组的分布效应来削弱谐波是无效的，而通过短距也只能削弱部分或其中某一次谐波，效果也很有限。

实际N=1时，考虑短距的影响，反电动势将完全反映其磁场的所有次谐波。因而，若想获得较好的反电动势波形，必须想办法让转子永磁体产生正弦度较好的励磁磁场，从而达到改善电动势波形和削弱谐波的目的。因此在设计N=1的交流永磁同步电机时一定要考虑好转子永磁磁场的优化问题。

综上所述，在电机定子采用分数槽集中绕组后，如果再想要从定子入手减少电机的转矩脉动已经十分困难，从而证明了如第4章所述，主要从电机的转子结构入手来研究转矩脉动的抑制方法更为现实。

图5-9 8极15槽分数槽集中绕组电机

a）电机模型 b）电机磁力线分布

以图5-9所示8极15槽V形转子的内置式永磁同步电机为例（除槽数和绕组匝数以外，其他8参数均与8极48槽的整数槽电机相同），采用第4章所述方法，通过对V形张角α的调整，同样可以得到与整数槽电机相近的平均输出转矩和较小的转矩脉动。图5-10所示为该电机经有限元仿真得到的转矩输出波形与第4章的8极48槽电机模型转矩波形的比较。为了得到与采用整数槽绕组的电机模型相近的平均输出转矩，每槽的导体匝数有所增加，但是总的绕组长度依旧大幅被减少。从而证明采用分数槽集中绕组的电机能明显减少耗铜量，节省成本。表5-3将此分数槽集中绕组电机与整数槽绕组电机做了详细的对比。从图5-11可以看出，分数槽集中绕组电机的齿槽转矩明显小于整数槽绕组电机的齿槽转矩，从图5-12和图5-13中还可以看出，采用分数槽集中绕组电机的弱磁扩速能力也相对整数槽绕组电机有所提高。

图5-10 分数槽集中绕组与整数槽分布绕组电机转矩比较

图5-11 分数槽集中绕组和整数槽分布绕组电机齿槽转矩比较

图5-12 分数槽和整数槽电机转矩—转速曲线对比图

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图5-13 分数槽和整数槽电机输出功率—转速曲线对比图

表5-3 分数槽集中绕组与整数槽绕组电机参数对比

图5-14 分数槽集中绕组和整数槽分布绕组^[17]

a）22kW集中绕组永磁电机 b）23kW分布绕组永磁电机

图5-14表明采用集中绕组的电机轴向总长度比采用分布绕组电机的轴向长度短，因此节省了材料，减少了电机的体积，但集中绕组不易散热，因此两种电机稳定后的绕组温度可相差10℃^[17]。

图5-15 分数槽集中绕组和整数槽分布绕组转矩分析

a）输出转矩—控制角特性比较 b）磁阻转矩—控制角特性比较

图5-15和图5-16所示为分数槽集中绕组和整数槽分布绕组的比较图。其中，E1为分数槽集中绕组，E2为整数槽分布绕组。从比较结果可以看出，分数槽集中绕组电机的控制角比整数槽分布绕组电机小，对应同一控制角的磁阻转矩分数槽集中绕组电机小于整数槽分布绕组电机。这是因为：①分数槽绕组的绕组因数比整数槽绕组小；②分数槽集中绕组电机通常每一个齿距对应一个磁极，齿尖部容易造成磁路短路，所以分数槽集中绕组电机的漏磁系数普遍较整数槽绕组大。

图5-16 分数槽集中绕组和整数槽分布绕组转矩—速度特性

通过对分数槽集中绕组和整数槽分布绕组电机的对比分析，采用该分数槽集中绕组可以减少脉动转矩，减少了绕组铜耗，节省了材料；而且其弱磁扩速能力也有了一定提高。