永磁電動機齒槽轉(zhuǎn)矩研究

永磁電動機齒槽轉(zhuǎn)矩研究

1轉(zhuǎn)速驅(qū)動產(chǎn)生的誤差永速機的電機轉(zhuǎn)速呈一定方向和一定方向的對齊趨勢。在這個趨勢上，齒槽齒的旋轉(zhuǎn)發(fā)生了變化。齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生來自于轉(zhuǎn)子永磁體與定子齒之間的切向力,是轉(zhuǎn)子永磁體與定子齒槽相互作用的結(jié)果。在變速驅(qū)動中,當(dāng)轉(zhuǎn)矩頻率與定子或轉(zhuǎn)子的機械共振頻率一致時,齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的振動和噪聲將被放大。齒槽轉(zhuǎn)矩的存在同樣影響了電機在速度控制系統(tǒng)中的低速性能和在位置控制系統(tǒng)中的高精度定位。本文介紹的是至目前為止采用的一些措施,可將齒槽轉(zhuǎn)矩減小到普遍可接受的程度。2齒槽旋轉(zhuǎn)抑制法2.1合成系統(tǒng)的扭矩特性對于正弦波和梯形波永磁電動機,齒槽轉(zhuǎn)矩最小化技術(shù)的研究已大量呈現(xiàn)在各種文獻中。但是,許多技術(shù)都是遵循著以往傳統(tǒng)的交流和直流電機中降低脈動轉(zhuǎn)矩的方法。其中最為大家熟悉且最有效的方法莫過于定子斜槽。一些研究已證實將定子槽相對于轉(zhuǎn)子磁極傾斜一個定子齒距可使齒槽轉(zhuǎn)矩降到非常低的程度。如果定子斜槽給制造工藝帶來難題,那么轉(zhuǎn)子磁極相對于定子斜一個齒距同樣可達(dá)到相似效果。由于端部效應(yīng),實際上斜槽不能完全消除轉(zhuǎn)矩脈動。采用斜槽或斜極的代價是使電機結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜,并且在一定程度上降低了電機的輸出轉(zhuǎn)矩,尤其是每極齒數(shù)較少的電機。同時斜槽或斜極還將增加漏感和雜散損耗。2.2小氣隙磁導(dǎo)變化對于齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生,定子槽開口引起的氣隙磁導(dǎo)變化是一個重要因素。許多技術(shù)都是針對減小氣隙磁導(dǎo)變化或建議至少改善氣隙磁導(dǎo)的諧波頻譜。這其中最直觀的方法是減小定子槽開口寬度或采用磁性槽楔。此種方法同樣使定子結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。更進一步,在一些特殊應(yīng)用的場合或?qū)τ谔厥鈽?gòu)造的電機(如盤式電機)可采用無槽定子結(jié)構(gòu),這樣有利于從根本上消除齒槽轉(zhuǎn)矩。2.3極弧寬度w對齒槽扭矩的影響改變極弧寬度對于齒槽轉(zhuǎn)矩波形的幅值和形狀都有重要影響。對于一個18槽、6極鐵氧體永磁無刷電動機,極弧為180°電角度。如果極弧減小,齒槽轉(zhuǎn)矩峰值亦減小,當(dāng)減小到130°時,齒槽轉(zhuǎn)矩的峰值隨著極弧的減小將再度增加。對于一個36槽、4極表面磁鋼NdFeB永磁電機,文獻指出齒槽轉(zhuǎn)矩的基波分量可通過適當(dāng)選擇極弧寬度W與齒距λ的比率而有效消除。文獻指出對于徑向充磁的永磁電機,合適的極弧寬度為W=(n+0.17)λ,其中n是一個整數(shù);對于平行充磁的電機,合適的極弧寬度是W=6.41λ。需要指出的是極弧寬度不能簡單地用n的倍數(shù)來表示。對文獻所述樣機,最佳極弧寬度可將齒槽轉(zhuǎn)矩降為額定值的1%,而最差極弧寬度卻達(dá)到25%。同時應(yīng)該注意改變極弧寬度將以完全不同的方式影響齒槽轉(zhuǎn)矩脈動和電磁轉(zhuǎn)矩脈動。由于齒槽轉(zhuǎn)矩僅取決于永磁體與定子槽的相互作用,而電磁轉(zhuǎn)矩脈動取決于許多因素,其中反電動勢波形因素反過來又取決于極弧。選取一個特定的極弧系數(shù)同時降低兩種轉(zhuǎn)矩脈動是不可能的。多數(shù)情況下采取一個折衷辦法以求降低總的轉(zhuǎn)矩脈動。2.4齒槽扭矩的測量(1)改變極弧寬度不能同時消除兩種轉(zhuǎn)矩脈動的基波分量。對于多極電機,移動間隔的每對磁極卻能同時達(dá)到效果。當(dāng)一對磁極相對于相鄰極對旋轉(zhuǎn)時,氣隙磁導(dǎo)將保持不變,而磁場分布將要發(fā)生改變,這是由于勵磁不再是以對稱方式(僅含余弦項)而是一個對稱分量(余弦項)和不對稱分量(正弦項)的結(jié)合。將一個4極電機的一對磁極移動半個齒距并且選取合適的磁極寬度值,可同時降低兩種轉(zhuǎn)矩脈動。對于文獻樣機,可將齒槽轉(zhuǎn)矩降為額定轉(zhuǎn)矩的0.3%。實際的移動角度可由畫圖來確定。(2)若將電機轉(zhuǎn)子磁鋼沿軸向分為兩組,其中一組相對于另一組移動半個齒槽轉(zhuǎn)矩周期,由齒槽轉(zhuǎn)矩公式:Τ(θ)=∞∑n=1Ansin(nθ+Ψn)h(1)T(θ)=∑n=1∞Ansin(nθ+Ψn)h(1)式中T(θ)——齒槽轉(zhuǎn)矩An——傅里葉級數(shù)的系數(shù)Ψn——相應(yīng)的初相角h——電機的軸向長度可得:Τ(θ)=h2[∞∑n=1Ansin(nθ+Ψn)+∞∑n=1Ansin(nθ+Ψn+π)](2)T(θ)=h2[∑n=1∞Ansin(nθ+Ψn)+∑n=1∞Ansin(nθ+Ψn+π)](2)注意到當(dāng)n為偶數(shù)時,第二項與第一項相同;當(dāng)n為奇數(shù)時,這兩項符號相反。則:Τ(θ)=∞∑n=2,4,6Ansin(nθ+Ψn)h(3)T(θ)=∑n=2,4,6∞Ansin(nθ+Ψn)h(3)式(3)指出齒槽轉(zhuǎn)矩的奇次諧波可被消除(包括基波),這表明正弦形齒槽轉(zhuǎn)矩幾乎可以得到抑制。2.5基于定徑不均勻的電機利用定子槽的不均勻分布提供了又一個降低齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。根據(jù)疊加思想能夠計算齒槽轉(zhuǎn)矩分布。文獻提供了一種定子槽不均勻分布方法。對于一個定子槽均勻分布的電機,將每間隔的槽移動dθ距離。這樣總槽數(shù)Qs可分為相等的兩部分Q1s、Q2s,合成齒槽轉(zhuǎn)矩可簡單表示為:T(θ)=T1(θ)+T2(θ)(4)若槽型相同,則:T(θ)=T1(θ)+T1(θ+dθ)(5)2.6轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的氣隙空間變化由于永磁體和鐵心中靜磁能量的變化相對于氣隙可近似忽略,齒槽轉(zhuǎn)矩可表示為:Τ(θ)=-△W△θ=-△Wairgap△θ(6)絕大多數(shù)能量變化發(fā)生在當(dāng)磁極變化經(jīng)過時的定子槽內(nèi)的氣隙空間。定子齒開槽(或稱為齒分岔)可使電機增加一些附加的槽。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時使電機的靜磁能量起到一個小的變化。將每個定子齒開一個槽,可以得到齒槽轉(zhuǎn)矩頻率增加為2倍的同時峰值降低為原來的50%。針對不同的極數(shù)適當(dāng)選擇定子齒開槽數(shù)目,可有效抑制齒槽轉(zhuǎn)矩脈動。對于一個結(jié)構(gòu)對稱永磁電動機,齒槽轉(zhuǎn)矩的周期可由2π除以極數(shù)與定子槽數(shù)的最小公倍數(shù)確定;當(dāng)定子齒開槽時,周期可由2π除以極數(shù)和定子槽數(shù)與定子齒開槽數(shù)的最小公倍數(shù)確定。2.7基波幅值分布當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鋼數(shù)一定時,定子采用分?jǐn)?shù)槽提高了定子開槽數(shù)和轉(zhuǎn)子磁鋼數(shù)的最小公倍數(shù),即提高了齒槽轉(zhuǎn)矩基波的頻率。由頻譜函數(shù)特性可知,基波幅值隨基波頻率的增加而減小,這樣,通過提高齒槽轉(zhuǎn)矩的頻率,就可達(dá)到減小齒槽定位力矩的作用。例如,對于槽數(shù)為28,極數(shù)為4的電機,在保持電機其它參數(shù)不變的前提下,只將槽數(shù)改為27,則齒槽定位力矩的幅值將降為原樣機的7.12%。2.8槽轉(zhuǎn)槽的形狀和幅值如同改變極弧一樣,改變磁鋼磁化方向(徑向或平行)對齒槽轉(zhuǎn)矩的形狀和幅值的改變都有作用。文獻提供了一對相同尺寸的電機,轉(zhuǎn)子磁鋼分別為徑向磁化和平行磁化,磁鋼平行磁化的電機比徑向磁化的電機齒槽轉(zhuǎn)矩峰值降低了20%。2.9齒槽轉(zhuǎn)動剛度測量對于雙氣隙、軸向磁場電動機,轉(zhuǎn)子永磁體斜槽與傳統(tǒng)的徑向磁場電動機都具有降低齒槽轉(zhuǎn)矩幅值的效果。當(dāng)定子齒交錯時,可將齒槽轉(zhuǎn)矩降低到更低程度,基波頻率變?yōu)樵瓉淼?倍。但是,用有限元分析方法卻預(yù)測出定子齒槽交錯將引起電機軸向力變動。若電機轉(zhuǎn)子很輕,這些應(yīng)力將引起機械振動、噪聲和疲勞。因此,在電機設(shè)計中必須在齒槽轉(zhuǎn)矩和軸向力變化方面采取折衷方案。較好的一個方案是制造齒槽不交錯的電機,降低了軸向力變動,通過先進的定子電流控制措施降低齒槽轉(zhuǎn)矩。2.10其他方法增大每極槽數(shù),改變電機徑向氣隙長度,設(shè)計厚的定子齒尖以防飽和,改變定子齒槽比率和磁鋼形狀(開槽、鑿孔)等都能引起齒槽轉(zhuǎn)矩變化。3小齒槽扭矩的減少齒槽轉(zhuǎn)矩減小技術(shù)都曾用于電機設(shè)計中,考慮到經(jīng)濟性,許多技術(shù)很少采用。例如大多數(shù)電