永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩分析及削弱措施

賀建忠

摘 要：永磁同步電機(jī)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(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析。文章首先對永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的原因進(jìn)行了分析，然后對輔助齒高度和輔助齒寬度對齒槽轉(zhuǎn)矩造成的影響進(jìn)行了分析，并進(jìn)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(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(dǎo)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(jī)轉(zhuǎn)子依然有停在圓周若干位置的趨勢。當(dāng)電動機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，齒槽轉(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(jī)的平均轉(zhuǎn)矩，但是會引起噪音、電機(jī)振動、速度波動等，對電機(jī)定位的伺服性能和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(jī)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(jī)在實際運行過程中，齒槽矩會導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動，并引起噪音和振動。在實際運行過程中，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)生的引力會互相抵消，這時齒槽轉(zhuǎn)矩值為0。而當(dāng)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(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度會高于轉(zhuǎn)子齒左半部分的磁場強(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，會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。此時定子齒的磁感應(yīng)強(qiáng)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，槽中心線和磁極中心線重合，并將轉(zhuǎn)子齒兩個側(cè)面引力的切向分量抵消掉，另外的半個周期也是如此。

一般來說，除了電機(jī)定子內(nèi)徑、電機(jī)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(jìn)行改變時，主要是對永磁磁極極弧系數(shù)進(jìn)行調(diào)整、對永磁體的斜極和形狀進(jìn)行優(yōu)化、開斜槽、開輔助槽等方法來進(jìn)行改變，從而達(dá)到削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。（2）對電樞參數(shù)進(jìn)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(xué)的選擇電樞極數(shù)和槽數(shù)，來對齒槽轉(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4級、48槽表面式永磁同步電動機(jī)舉例說明，使用磁極偏移、極弧系數(shù)優(yōu)化、輔助槽開設(shè)措施進(jìn)行試驗分析。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，使值比較小的永磁體剩磁磁密對齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生作用，從而減小齒槽轉(zhuǎn)矩。對于四級、48槽電機(jī)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(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Maxell 2D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)（αp）等于0.75時，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值是最低的，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(dǎo)致漏磁量增加。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

斜槽或斜極會使齒槽的轉(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(fù)雜，因此多使用斜槽。在工程實際應(yīng)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(jī)在生產(chǎn)過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(jī)槽數(shù)比較少或者電機(jī)鐵心比較短的時候，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(dá)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(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)最小公倍數(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(jī)極弧系數(shù)變化、開輔助槽、磁極移動對永磁電機(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(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

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，本文通過在一臺永磁同步電動機(jī)中合理的選擇極弧系數(shù)、磁極偏移、槽口寬度的設(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(jī)性能得到了優(yōu)化，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

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