电动车 -永磁同步电机定转子结构设计.docx

1定子结构的设计

1.1极数

高速电机一般设计为2极或4极。对于2极电机，永磁体可采用整体结构，定子电流和铁心中磁场的交变频率较低，有利于降低高频附加损耗，但2极电机的定子绕组端部较长、铁心轭部较厚。4极电机与2极电机相反，定子绕组端部较短，铁心轭部较薄，但定子绕组电流和铁心中磁场的交变频率较高。

1.2槽数

槽数有多槽、少槽和无槽3种方案可选择。无槽方案不产生高频齿谐波磁场，对减小转子涡流损耗十分有利，但气隙较大，永磁体产生的气隙磁通密度小，永磁材料利用率低。少槽方案气隙磁通密度谐波幅值大，转子涡流损耗大，这对于高速电机来说是不可取的。多槽方案既可获得较高的气隙磁通密度，提高材料利用率，又不会产生过大的转子涡流损耗。

1.3铁心材料

高速电机频率高，高频下的定子铁心将产生较大的铁耗，通过合理选取定子铁心材料，可有效降低定子损耗，提高电机的电磁性能。图2为不同定子材料单位重量铁耗随频率的变化曲线。其中，

B20AT1500、B27AH1500、B35AH300分别为0.2mm、0.27mm

和0.35mm的硅钢片材料，Vacoflux50为0.2mm的钴钢片，

Somaloy700为软磁复合(SMC)材料，Metglas2605SA1为非晶合金材料。从图2可看出，非晶合金材料的单位铁耗远小于其他材料，但该种材料的饱和磁感应强度较低(为1.2～1.3T)，适用于铁心磁通密度较低的高速电机。

当电机的工作频率低于1000Hz时，SMC材料单位铁耗值高于普通硅钢片，当工作频率高于2000Hz时，SMC材料才能有效减小高速电机的铁心损耗。单位钴钢片的损耗值小于硅钢片，但钴钢片的抗拉强度较小，约为硅钢片的一半。

图2不同定子铁心材料的损耗曲线

1.4定子绕组

传统定子绕组端部较长，增加了转子的轴向长度，从而降低了转子系统的刚度。环型绕组结构可有效缩短定子绕组端部长度，其不利之处是线圈嵌线工艺较复杂。高速电机频率较高，会在定子绕组的导体中产生较大的趋肤效应和邻近效应，从而造成附加损耗，为了降低定子绕组中的损耗，定子绕组须采用许多根较小直径的细导线并联绕制，绕组的导体

半径r一般要小于磁场在导体中的透入深度，即为

式中，μ为导体的磁导率；σ为导体的电导率；ω为交变磁场角频率。文献[11]对圆铜线绕组的交直流损耗进行了分析，当电机频率在1

kHz以下时，定子绕组的交、直流损耗比约为1，可忽略趋肤效应和邻近效应的影响；文献[49]对一台5MW、6.3kV的高速永磁电机采用了扁铜线绕组结构，并对定子绕组损耗进行了分析，分析结果显示，当频率为400Hz时，定子绕组的交流损耗约为直流损耗的3倍，因此扁铜线绕组的交、直流损耗比受频率影响非常明显，在进行高频铜耗计算时，必须考虑趋肤效应和邻近效应的影响。

2转子结构的设计

2.1笼型转子

2.1.1转子槽型

高速叠片式笼型转子通常采用闭口槽，闭口槽类型主要有圆形槽、水滴槽、平行槽3种，如图3所示。圆形槽的优势为对转子铁心上应力的分布影响较小，可保证转子具有较高的机械强度，工艺简单、成本低，而缺点为转子齿磁通密度易产生局部过大，导条电流密度过高，转子铜耗较大。水滴槽和平行槽是在圆形槽之上改良的，可有效减小转子齿磁通密度，同时增大了导条面积，减小了导条上的电流密度，具有较小的转子铜耗，但机械强度低于圆形槽。

图3转子槽型

2.1.2转子铜条材料

纯铜在温度较高的情况下会发生软化现象，因此在高速感应电机的设计中，主要采用铜合金作为转子导条材料。表7列出了几种常用的铜

合金材料属性，在选择导条材料时，要综合考虑机械强度和转子铜耗，在保证机械强度的情况下，应选择电导率较大的铜合金。

表7不同导体材料属性

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2.1.3端环的保护

感应电机的端环与铜条是焊接而成的，当高速旋转时，焊接处易发生损坏，因此必须对端环进行保护，目前最常用的保护措施是用铆钉将端环与转子铁心固定在一起以增加转子整体的机械强度，如图4

所示。

图4转子端环保护

2.2实心转子

实心转子高速感应电机有如图5所示的4种转子结构。

文献基于一台75kW、60000r/min的高速感应电机，对4种转子结构的应力和损耗进行了比较分析，如图6所示。

可以看出，实心钢转子结构和铜屏蔽转子结构的转子强度较好，开槽实心转子的转子应力远大于其他3种转子结构，但实心钢转子结构的转子涡流损耗最大，开槽实心转子次之；铜屏蔽转子和笼型实心转子因为在转子材料中有铜导体，这些铜导体为电流提供