哇啦之电机整数槽与分数槽

浅风无影

现在的伺服电机一般采用的10极12槽的极槽数配合。每极每相槽数为分数。刚学电机时，感觉不可思议，在我之前看的电机学书中是没有提分数槽的概念的，先入为主的认为每极每相槽数应该为整数槽。潜意识认为分数槽是不能产生旋转磁场的，这花了我很长时间扭转过来。实际上，只要满足两个要求，就能产生旋转磁场。第一个要求是每相绕组圈数必须是整数。这个很容易理解，每相的线圈都不是整数，怎么做线圈啊。第二个要求相绕组之间的角度是相量角的整数倍，这样才可以进行分相的操作。归根到底是个数学问题，最终转化为这两个条件。
有了整数槽与分数槽的概念后，需要追的另一个问题是为什么我们最终选择了10极12槽这个配合了。先讨论为什么选择10对极，我们知道极对数越多，产生的磁场正弦度越好。所以为了获得好的正弦度，肯定是要选择高的极对数了。但是也不能无限多啊，就像有限元画网格，刚开始增加数量可以起到非常大的作用，让计算收敛，精度提高，但是过了一定值以后基本上没啥用了，单纯的浪费计算机内存与cpu。而且还必须兼顾工艺制造，成本，过多的极对数造成装配复杂化。从控制的角度来看，因为电角度与极对数成正比，过高的极对数，那么驱动器产生的交流电流的频率太高就控不了了。对这种小型的伺服电机，到4或者5对极了，基本上就能获得很好的旋转磁场，同时工艺与控制性都挺好。现在市面上主流的安川，松下都是五对极，见过以色列的伺服电机，使用的是4对极。
说玩了极对数，再说槽数，同步电机，主要思想是用一个旋转磁场拖动另一个旋转磁场的。转子的旋转磁场由永磁铁提供，定子的有空间中对称的三相对称电流提供。用电流产生的气隙磁场同样需要较好的正弦度。同样的道理，选择槽数多能产生更好的磁场，但是同样必须兼顾制造，工艺。槽数多了，每个槽的面积肯定少，我们通过理论计算可以在电机设计的时候就得到对应额定功率的额定电流，槽数多了，如果并联支路数不变，那么每槽的导体就少，一个槽就放几根导体。槽数多，导体少，必然提高工艺性。如果并联支路数增加了，槽中的导体数量增加，那么每个支路的电流就小了，肯定就用更细的铜线了，线细，一定程度上利于绕线，但是受圈数增加的影响，肯定绕线时间长了。
最终还是个电负荷的问题，只要达到了需要的电负荷，无论你怎么办的，电机都能获得设计的转矩常数。为了避免端部用铜量，基本上都是集中绕组了。综合上面的这些因素，最终选择了12槽，比较合理。要是每极每相槽数按整数来，最少都30槽了，完全不合理的。
从上面的角度来看选择分数槽是好的，但其实分数槽还有一些其他的好处。我们知道电机的槽都是有槽口的，在槽口的位置，磁密会骤降。虽然通过傅里叶分解基波没怎么变化，但是会产生额外的谐波，叫做齿谐波，齿谐波最明显的影响就是齿槽转矩了。就是你直接用手转电机轴，会有一顿一顿的感觉，使用分数槽，优化设计可以将齿谐波转矩降下来，同时，齿谐波产生的谐波电动势也能得到削减。
总之，经过实践的检验，最终伺服的领域，基本选择的是10对极12槽集中式绕组这种配合。定子往往采用先分块，再绕线，最后焊接这种方式。小定子铁芯可以激光焊接，过大，并且槽满率稍微高一点，就要用氩弧焊了。

黄海是我

天书，我就知道国内伺服电机就剩杀价了，编码器完全是别人手里，伺服电机，米格，苏强杀的挺低，高端伺服完全是日本手里，和国内完全没关系

magicnie

感谢分享，电机学一直在看，请教个问题，短距系数对某次谐波电动势的消除，书上说谐波电动势是当漏磁通对待的，消除哪个阶次的谐波在电机绕组设计中是以什么考量的啊，这方面看的书不多，一直不理解这个。

浅风无影

magicnie 发表于 2020-3-29 17:38
感谢分享，电机学一直在看，请教个问题，短距系数对某次谐波电动势的消除，书上说谐波电动势是当漏磁通对待 ...

以伺服电机为例，我们想要的反电势波形是正弦波，但是这是最理想的情况，实际波形与理想波形会有区别，学过FFT就知道，实际的一个波可以分解为多个不同频率的正弦波的叠加。对气隙磁密进行傅立叶分解，可以得到不同阶次的波形，理论上反电势的各阶频率谐波，就是由磁密对应的各阶谐波感应过来的。因为我们只想要基波，其他的波也就相当于多余的部分，也不希望其在电机运行中起作用，那么感应出谐波的那一部分高阶磁通就可以当做漏磁通，认为他是多余的了。至于你想消除那一阶的谐波，就是要看你感应出来的波形中哪一阶含量过高了。