永磁同步電機齒槽轉(zhuǎn)矩分析及削弱措施

1、永磁同步電機雷槽轉(zhuǎn)矩分析及削弱措施摘要：永磁同步甯機由于槽定子鐵芯和永磁體之間相互作用會出現(xiàn)齒槽轉(zhuǎn)矩，會產(chǎn)生非常大的噪音和振動，而且會對系統(tǒng)的控制精度造成影響，需要對永磁同步電機齒槽轉(zhuǎn)矩進行分析。文章首先對永磁同步電機齒槽轉(zhuǎn)矩的原因進行了分析，然后對輔助齒高度和輔助齒競度對齒槽轉(zhuǎn)矩造成的影響進行了分析，并進行了驗證。關(guān)鍵詞：永磁同步；齒槽轉(zhuǎn)矩；削弱措施永磁電機的齒槽矩是轉(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。主要是因為定子齒槽和永磁轉(zhuǎn)子磁極處于不同位置時，主磁路磁導會產(chǎn)生變化，即便是在電動繞組不通電的情況下，受齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，電機轉(zhuǎn)子依然有停在圓周若干位置的趨勢。當電動機發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，齒

2、槽轉(zhuǎn)矩會表現(xiàn)為附加的脈動轉(zhuǎn)矩雖然不會減少或者增加電動機的平均轉(zhuǎn)矩，但是會引起噪音、電機振動、速度波動等，對電機定位的伺服性育湃口精度造成了比較大的影響，特別是在低速時產(chǎn)生的影響更大，為了提高電機運行的穩(wěn)定性，需要解決齒槽轉(zhuǎn)矩問題。1齒槽轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的原理齒槽轉(zhuǎn)矩主要是因為自身的物力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，永磁電機在實際運行過程中，齒槽矩會導致電機輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動，并引起噪音W振動。在實際運行過程中，當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)生的引力會互相抵消，這時齒槽轉(zhuǎn)矩值為0。而當永磁體逆時針旋轉(zhuǎn)時，切向分力無法完全抵消掉，會產(chǎn)生一個齒槽轉(zhuǎn)矩值。定子齒和永磁磁極之間四種相對位置如圖2所

3、示。在處于圖1(a)的位置時，永磁體會和定子齒中心對齊在轉(zhuǎn)子齒側(cè)面會產(chǎn)生相同的磁感應強度，并且受到的引起切向分量也一致,方向相反，會相互抵消掉。將轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動時如(b)所示，此時轉(zhuǎn)子齒中心線會超前于磁極中心線，轉(zhuǎn)子齒右半部分的磁場強度會高于轉(zhuǎn)子齒左半部分的磁場強度，受到的引力切向量也不為零，受力方向和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反，表現(xiàn)為負值。當定子磁極中心線和轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角變大時，會使和該齒臨近齒的左半部分的磁感應強度變大，如（C）所示。此時定子齒的磁感應強度沒有發(fā)生變化，會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)子齒兩個側(cè)面引力的切向分量抵消掉，另外的半

4、個周期也是如此。一般來說，除了電機定子內(nèi)徑、電機電樞長度、轉(zhuǎn)子外徑等外形尺寸以外，為了降低齒槽轉(zhuǎn)矩，需要重點考慮下述幾個方面的因素:（1）改變永磁體參數(shù)。在對永磁體參數(shù)進行改變時，主要是對永磁磁極極弧系數(shù)進行調(diào)整、對永磁體的斜極和形狀進行優(yōu)化、開斜槽、開輔助槽等方法來進行改變，從而達到削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。（2）對電樞參數(shù)進行改變。電樞參數(shù)的改變主要是對不等槽口寬度、槽口寬度、開設(shè)輔助槽、改變齒的形狀、斜槽等方法來削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。（3）合理的極槽配合。這種方法主要是通過科學的選擇電樞極數(shù)和槽數(shù)，來對齒槽轉(zhuǎn)矩周期進行調(diào)整，并使齒槽轉(zhuǎn)矩削弱。2案例介紹本文主要以一個4級、48槽表面式永磁同步電動機舉例

5、說明，使用磁極偏移、極弧系數(shù)優(yōu)化、輔助槽開設(shè)措施進行試驗分析。使用二維有限元分析法進行仿真模擬分析。3電機齒槽轉(zhuǎn)矩削弱措施3.1 合理的選擇極弧系數(shù)研究證明，科學的選擇極弧系數(shù)會使值比較大的永磁體剩磁磁密不會對齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，使值1：瞰小的永磁體剩磁磁空對齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生作用，從而減小齒槽轉(zhuǎn)矩。對于四級、48槽電機來說，如果極弧系數(shù)接近0.8或者0.76時，會顯著降低齒槽的轉(zhuǎn)矩。綜合進行分析后發(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，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 磁極偏移當其中的一對永磁磁極逆時針向一個方向移動到合適的位置時，會使逆時針方向永磁磁極之間的氣縫隙變小，同時會導致漏堿量增加。定轉(zhuǎn)子之間耦合磁場會變小，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，但是兩者適用的場所是有所不同的，再加上斜極工藝非常復雜，因此多使用斜槽。在工程實際應用過程中，即便定子槽可以將一個齒距精確的確定出來，但是依然無法將齒槽轉(zhuǎn)矩完全消除，出現(xiàn)這種情況主要是因為同一臺電機在生產(chǎn)過程中永磁體材料具有一定的分散性，受電機制造工藝的影響很容易引起轉(zhuǎn)子偏心。而斜槽

7、和斜極無法將鐵心端部和永磁體端部之間磁場產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩削弱，而且在電機槽數(shù)比較少或者電機鐵心匕瞰短的時候，斜槽和斜磁極實現(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 開輔助槽開設(shè)輔助槽主要是為了通過對傅里葉分解系數(shù)產(chǎn)生影響來達到影響齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。最重要的一個環(huán)節(jié)就是將輔助槽的個數(shù)確定出來。在對相關(guān)資料進行查閱后，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 試驗結(jié)果驗證通過使用二維有限元方法對4極、48槽永磁同步電機極弧系數(shù)變化、開輔助槽、磁極移動對永磁電機齒早轉(zhuǎn)矩的影響進行了分析，然后做出了樣機。試驗結(jié)果證明，齒槽轉(zhuǎn)矩測試結(jié)果和分析結(jié)果基本一致，證明結(jié)合電機參數(shù)選擇相應的措施可以使齒槽轉(zhuǎn)矩削弱。4結(jié)束語永磁同步直線電機齒槽轉(zhuǎn)矩削弱可以有效保證電機的性能本文通過在一臺永磁同步電動機中合理的選擇極弧系數(shù)、磁極偏移、槽口競度的設(shè)計這幾種方法，使齒槽轉(zhuǎn)矩得到了顯著的削弱，同時使電機性能得到了優(yōu)化，具有一定的推廣