电动车 -永磁同步电机定转子结构设计.pdf

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