电机基础槽极配合

一路上

一、基本概念

极对数P：是指永磁转子(或定子)有多少对N-S极。每旋转一周，感应电动势产生了P个正弦波，若电机转速为N rpm，则每秒产生了NP/60个正弦波，即感应电动势频率f=NP/60。

下图中，定子极对数为2，转子极对数为4。在实际应用过程中，定子极对数需要与转子极对数保持一致，才能保证电机平稳的运转。图中，定转子极对数不一致，电机会发生什么情况呢？答案是：电磁转矩为0。

电机的槽极比一直是个无法系统化的东西，在应用领域一直以来都是要综合考虑槽极的配合，来选择合适的槽极比来设计电机。合理的槽极配合也可优化电机的电磁设计，提高电机的效率和功率因数，降低能耗；不合适的槽极配合也可能导致电机在某些工作点出现较大的转矩波动和振动。

不同的槽极配合对应不同的绕组形式和加工要求，这将直接影响电机的制造成本和工艺复杂性，要在电机设计之初就要敲定，是牵一发而动全身的工程，更是重中之重。

二、电机的槽极

电机的槽极对性能和成本是有显著影响的；一般来说槽极数越多，产生的气隙磁密就越高，电机的输出扭矩也会越大，进而功率因数也越高。但是，槽极数过多也会导致加工难度增大，槽利用率降低。因此在选择永磁电机时，需要根据应用需求和加工能力来选择具有适当槽极数的电机。

1.36槽6极永磁同步电机

槽数Z：槽是电机定子中的凹槽，用于安放绕组，槽通常是偶数，且每个槽都与一个磁极相对应。

极数P：是指电机定子和转子中磁极的数目，一般定子极对数为3，则转子极对数就为6。这个就很好理解了，就是指永磁转子(或定子)有多少对N-S极。如果定转子极数一致，那么也就没必要分极数p是定子的还是转子的了。

目前的新能源永磁同步电机的槽极比多数都是48槽8极，48槽8极能成为主流主要是现在的电机都是内置永磁，电机极弧系数都不能做得很大，这样对转子的空间不利，所以一般都是在6极以上。但是，极数也不是越高越好，因为极数越高在高速弱磁时，电机的铁耗也会快速增加，这样会降低电机在高速区的效率；另外，在相同转速下，极数越高，电机频率也就会越高，还会增加IGBT的选型成本。

2.48槽8极电机与其磁密分布

48槽8极设计方案，由于零阶模态刚度不够，24阶和48阶噪声过大。24阶是由于相带谐波5，7次引起的，目前是可通过双层短距绕组来削弱降低，48阶主要由齿谐波11，13次引起的，一般车企是通过斜极和开谐波槽等方式来削弱降低。当然，也有其他的槽极比，比如特斯拉和华为的54槽6极，比亚迪的72槽8极。

三、槽极比不是越高越好

先说结论，槽极比肯定不是越高越好，上面我也提到了一点点。

在设计电机时，槽极比是要根据实际应用需求来选择的，就拿特斯拉的54槽6极，跟典型的48槽8极比，其优势是在于它的齿槽谐波次数为18±1，而48槽8极的齿槽谐波次数为12±1，更高的齿槽谐波次数意味着谐波强度会更弱一点，有利于阶次噪音的抑制。

另外，特斯拉电机极数为6，这在高转速时的运行频率会比8极的电机频率降很多，这样更有利于降低铁耗，但是极对数低并不利于高峰扭矩，这就需要其它手段来弥补了，另外槽数如果过多，也会提高冲片模具和嵌线的成本。

特斯拉54槽6极

总的来说，电机槽数的值越低，电机齿谐波次数就越高，齿槽波动越大，噪音和振动就不容易控制，电机的极对数越少，换来的就是相对低的铁损系数。

下面的155和180，以及220的永磁电机都是采用的48槽8极，且其各自都取消了绕组层间跨线，单看转速方面，155是17000rpm，180和220都是18000rpm，差距很小。

还有一款72槽12极的270电机，峰值功率可达500Kw，也是取消了绕组层间跨线，转矩也是这些电机里最大的，峰值转矩在650Nm，但是转速却是上述电机里最小的，只有14000rpm。

电机转速公式为：n=60f/P，n=转速，f=电机频率，P=极对数

可以看出270的电机频率最高，单看公式是不完全准确的，因为在应用端还是有很多因素影响，但是铁耗和电机频率是呈正相关性这点是无疑的，所以这也是为什么说要根据应用需求来选择适当的槽极数。

四、电机槽极影响电机的哪些性能

1.不同的槽极配合下的齿槽转矩

磁通路径：槽极配合决定了定子和转子之间的磁通路径。不同的槽极配合会导致磁路长度的变化，从而影响磁阻和磁通密度。
气隙磁场：不同槽极配合下，气隙磁场的分布会有所不同，这将直接影响齿槽转矩的大小和形状。
齿槽效应：当转子转动时，相邻的永磁体和电枢齿之间的磁耦合会发生变化，产生周期性的磁力波动，即齿槽转矩。不同的槽极配合会影响这一效应的强度。
反电动势：永磁电机的反电动势波形与气隙磁通的分布紧密相关。不同的槽极配合会导致反电动势波形的差异，从而影响齿槽转矩。
噪声和振动：较大的齿槽转矩可能导致电机运行中的噪音和振动增加。通过选择合适的槽极配合可以降低这些负面影响。

2.不同的槽极配合下的绕组高度

定子槽数：在电机设计中，定子槽数的选择影响着绕组的布置方式。一般来说，槽数越多，每个槽的空间越小，绕组的高度就需要相应减小，以适应有限的槽空间。

极对数：极对数是决定电机转速的重要参数。极对数增加时，由于磁场旋转速度减慢，为了维持相同的输出功率，需要增大气隙磁通，这通常意味着需要增加绕组的匝数或高度。

绕组层数：双层或多层绕组可以提高电机的槽满率，从而提高电机的功率密度，随着绕组层数的增加，每层绕组的高度会减小，这样是以便所有绕组能够适应同一槽内。

3.不同的槽极配合下的损耗

铜损：不同的槽极配合会影响绕组的布局和数量，进而影响铜损；而更少的槽数可能会降低绕组的复杂性，减少铜损。

铁损：槽极配合影响气隙磁场分布，从而影响磁滞损耗；合适的槽极配合可以优化磁路设计，减小磁阻，降低涡流损耗。

永磁体损耗：选择合适的槽极配合可以帮助减小永磁体的工作磁通密度，从而降低永磁体的退磁风险；槽极配合也会影响永磁体的冷却效果，间接影响其温升和损耗。

齿槽转矩引起的机械损耗：不同的槽极配合会影响齿槽转矩的大小和形状，较小的齿槽转矩可以减少因振动引起的机械损耗。

五、结语

任何技术都不是完美，目前主流的极槽配合是8极48槽，6级54槽较8极48槽，评价因子CT更低，齿谐波次数更高，因此齿槽转矩会更有利于控制。相关内容请看：图解波绕扁线定子（W-Pin）。