永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩分析及削弱措施VIP

1、永磁同步電機(jī)雷槽轉(zhuǎn)矩分析及削弱措施摘要：永磁同步甯機(jī)由于槽定子鐵芯和永磁體之間相互作用會(huì)出現(xiàn)齒槽轉(zhuǎn)矩，會(huì)產(chǎn)生非常大的噪音和振動(dòng)，而且會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制精度造成影響，需要對(duì)永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析。文章首先對(duì)永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的原因進(jìn)行了分析，然后對(duì)輔助齒高度和輔助齒競(jìng)度對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩造成的影響進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：永磁同步；齒槽轉(zhuǎn)矩；削弱措施永磁電機(jī)的齒槽矩是轉(zhuǎn)子永久磁體和鐵芯齒槽相互作用下產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。主要是因?yàn)槎ㄗ育X槽和永磁轉(zhuǎn)子磁極處于不同位置時(shí)，主磁路磁導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生變化，即便是在電動(dòng)繞組不通電的情況下，受齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，電機(jī)轉(zhuǎn)子依然有停在圓周若干位置的趨勢(shì)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒

2、槽轉(zhuǎn)矩會(huì)表現(xiàn)為附加的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩雖然不會(huì)減少或者增加電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩，但是會(huì)引起噪音、電機(jī)振動(dòng)、速度波動(dòng)等，對(duì)電機(jī)定位的伺服性育湃口精度造成了比較大的影響，特別是在低速時(shí)產(chǎn)生的影響更大，為了提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要解決齒槽轉(zhuǎn)矩問(wèn)題。1齒槽轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的原理齒槽轉(zhuǎn)矩主要是因?yàn)樽陨淼奈锪Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，永磁電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，齒槽矩會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)，并引起噪音W振動(dòng)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)永磁磁極中心線和定子槽的中心線相互重疊，那么磁通在定子齒兩側(cè)產(chǎn)生的引力會(huì)互相抵消，這時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩值為0。而當(dāng)永磁體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，切向分力無(wú)法完全抵消掉，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)齒槽轉(zhuǎn)矩值。定子齒和永磁磁極之間四種相對(duì)位置如圖2所

3、示。在處于圖1(a)的位置時(shí)，永磁體會(huì)和定子齒中心對(duì)齊在轉(zhuǎn)子齒側(cè)面會(huì)產(chǎn)生相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并且受到的引起切向分量也一致,方向相反，會(huì)相互抵消掉。將轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)如(b)所示，此時(shí)轉(zhuǎn)子齒中心線會(huì)超前于磁極中心線，轉(zhuǎn)子齒右半部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)高于轉(zhuǎn)子齒左半部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度，受到的引力切向量也不為零，受力方向和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，表現(xiàn)為負(fù)值。當(dāng)定子磁極中心線和轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角變大時(shí)，會(huì)使和該齒臨近齒的左半部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度變大，如（C）所示。此時(shí)定子齒的磁感應(yīng)強(qiáng)度沒(méi)有發(fā)生變化，會(huì)使用定子磁極中心線和轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角變大，槽中心繚口磁極中心線重合，并將轉(zhuǎn)子齒兩個(gè)側(cè)面引力的切向分量抵消掉，另外的半

4、個(gè)周期也是如此。一般來(lái)說(shuō)，除了電機(jī)定子內(nèi)徑、電機(jī)電樞長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)子外徑等外形尺寸以外，為了降低齒槽轉(zhuǎn)矩，需要重點(diǎn)考慮下述幾個(gè)方面的因素:（1）改變永磁體參數(shù)。在對(duì)永磁體參數(shù)進(jìn)行改變時(shí)，主要是對(duì)永磁磁極極弧系數(shù)進(jìn)行調(diào)整、對(duì)永磁體的斜極和形狀進(jìn)行優(yōu)化、開(kāi)斜槽、開(kāi)輔助槽等方法來(lái)進(jìn)行改變，從而達(dá)到削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。（2）對(duì)電樞參數(shù)進(jìn)行改變。電樞參數(shù)的改變主要是對(duì)不等槽口寬度、槽口寬度、開(kāi)設(shè)輔助槽、改變齒的形狀、斜槽等方法來(lái)削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。（3）合理的極槽配合。這種方法主要是通過(guò)科學(xué)的選擇電樞極數(shù)和槽數(shù)，來(lái)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩周期進(jìn)行調(diào)整，并使齒槽轉(zhuǎn)矩削弱。2案例介紹本文主要以一個(gè)4級(jí)、48槽表面式永磁同步電動(dòng)機(jī)舉例

5、說(shuō)明，使用磁極偏移、極弧系數(shù)優(yōu)化、輔助槽開(kāi)設(shè)措施進(jìn)行試驗(yàn)分析。使用二維有限元分析法進(jìn)行仿真模擬分析。3電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱措施3.1 合理的選擇極弧系數(shù)研究證明，科學(xué)的選擇極弧系數(shù)會(huì)使值比較大的永磁體剩磁磁密不會(huì)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，使值1：瞰小的永磁體剩磁磁空對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生作用，從而減小齒槽轉(zhuǎn)矩。對(duì)于四級(jí)、48槽電機(jī)來(lái)說(shuō)，如果極弧系數(shù)接近0.8或者0.76時(shí)，會(huì)顯著降低齒槽的轉(zhuǎn)矩。綜合進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)將極弧系數(shù)范圍控制在0.756±0.002之間為最為合理。采用Maxell2D進(jìn)行建模分析后可以發(fā)現(xiàn)，不同的極弧系數(shù)下，齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的變化是非常小的，但是在極弧系數(shù)（ap）等于0.75時(shí)，齒槽

6、轉(zhuǎn)矩峰值是副氐的，研究結(jié)果和理論分析結(jié)果一致，如圖2所示。3.2 磁極偏移當(dāng)其中的一對(duì)永磁磁極逆時(shí)針向一個(gè)方向移動(dòng)到合適的位置時(shí)，會(huì)使逆時(shí)針?lè)较蛴来糯艠O之間的氣縫隙變小，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致漏堿量增加。定轉(zhuǎn)子之間耦合磁場(chǎng)會(huì)變小，從而使齒槽轉(zhuǎn)矩變小。3.3 斜槽或斜極斜槽或斜板會(huì)使齒槽的轉(zhuǎn)矩降低，雖然斜槽和斜極的作用原理一致，但是兩者適用的場(chǎng)所是有所不同的，再加上斜極工藝非常復(fù)雜，因此多使用斜槽。在工程實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，即便定子槽可以將一個(gè)齒距精確的確定出來(lái)，但是依然無(wú)法將齒槽轉(zhuǎn)矩完全消除，出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)橥慌_(tái)電機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中永磁體材料具有一定的分散性，受電機(jī)制造工藝的影響很容易引起轉(zhuǎn)子偏心。而斜槽

7、和斜極無(wú)法將鐵心端部和永磁體端部之間磁場(chǎng)產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩削弱，而且在電機(jī)槽數(shù)比較少或者電機(jī)鐵心匕瞰短的時(shí)候，斜槽和斜磁極實(shí)現(xiàn)難度比較大,常常需要采取其他的措施使齒槽轉(zhuǎn)矩削弱。3.4 開(kāi)輔助槽開(kāi)設(shè)輔助槽主要是為了通過(guò)對(duì)傅里葉分解系數(shù)產(chǎn)生影響來(lái)達(dá)到影響齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是將輔助槽的個(gè)數(shù)確定出來(lái)。在對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行查閱后，齒槽轉(zhuǎn)矩頻率主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體和定子槽數(shù)的最小公倍數(shù)進(jìn)行確定的，定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子永磁體的最小公倍數(shù)為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的周期，一般情況下轉(zhuǎn)子磁技術(shù)和定子槽數(shù)最小公倍數(shù)越高,齒槽轉(zhuǎn)矩基波頻率也越大，并且隨著齒槽轉(zhuǎn)矩基波頻率日益增加，基波幅值會(huì)隨之變小。所以，轉(zhuǎn)子永磁體和定子槽數(shù)最小公音數(shù)會(huì)越大，可以有效提升高齒槽轉(zhuǎn)矩頻率，使齒槽轉(zhuǎn)矩削弱。3.5 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證通過(guò)使用二維有限元方法對(duì)4極、48槽永磁同步電機(jī)極弧系數(shù)變化、開(kāi)輔助槽、磁極移動(dòng)對(duì)永磁電機(jī)齒早轉(zhuǎn)矩的影響進(jìn)行了分析，然后做出了樣機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果證明，齒槽轉(zhuǎn)矩測(cè)試結(jié)果和分析結(jié)果基本一致，證明結(jié)合電機(jī)參數(shù)選擇相應(yīng)的措施可以使齒槽轉(zhuǎn)矩削弱。4結(jié)束語(yǔ)永磁同步直線電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱可以有效保證電機(jī)的性能本文通過(guò)在一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)中合理的選擇極弧系數(shù)、磁極偏移、槽口競(jìng)度的設(shè)計(jì)這幾種方法，使齒槽轉(zhuǎn)矩得到了顯著的削弱，同時(shí)使電機(jī)性能得到了優(yōu)化，具有一定的推廣