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永磁同步电机齿槽转矩抑制

2016/11/28    来源:互联网    作者:王棋      
关键字:表贴式  永磁同步电机  齿槽转矩  转矩脉动  
本文基于ANSYS Maxwell软件建立仿真模型,分析不同电机参数对齿槽转矩的影响,并运用参数扫描对电机的槽口深度及永磁体的形状进行优化,对齿槽转矩进行频谱分解,进一步分析和削弱齿槽转矩。然后针对电机加工偏心的工况对电机齿槽转矩的影响进行仿真分析,并与测试结果进行对比。本文的分析方法和仿真方法可应用于预估表贴式永磁电机的齿槽转矩计算,有利于降低电机的转矩脉动,提高电机输出转矩的平稳性。

前言

    齿槽转矩是永磁电机的一个固有问题。当电机旋转时,齿槽转矩表现为一种附加的转矩脉动的成分,虽然它不会使电动机平均有效转矩增加或减少,但它会引起速度波动、电机振动和噪声,特别是在轻负荷和低速时显得更加明显,当这个脉动转矩的频率与定子或转子频率相等时振动和噪声就会得到放大。因此在伺服电机设计和制造中必须削弱齿槽转矩。

1 电机的建模与仿真

    齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体与定子铁心之间相互作用产生的转矩,是永磁体与定子齿之间相互作用力的切向分量的脉动引起的。当电机转子旋转时,永磁体两侧面对应电枢齿的一小段范围内,磁导发生较大变化,引起磁场储能发生变化,从而产生齿槽转矩。其定义为绕组不通电时磁场能量对于位置角度的负偏导数,即

公式1

公式1

    对于表贴式永磁同步电机其齿槽转矩傅里叶分解表达式为

公式2

    由公式(2)可知,电机的定、转子结构参数,如定、转子的极槽配合,定子的槽口高,磁钢的极弧系数及形状等一系列参数都会影响电机气隙中磁密的幅值和分布,进而影响电机的齿槽转矩。本文通过电机电磁场有限元分析方法,计算出电机的齿槽转矩,并通过电机参数的研究得出齿槽转矩的变化规律。计算中使用的永磁同步电机仿真模型包括定子铁心、电枢绕组、转子铁心、磁钢及转轴等几个部分。在设计中为降低电机在不同频率点工作下的定、转子涡流损耗,采用0.35mm厚的高频低耗的硅钢片,同时增加了转子的转动惯量,降低了电机在低转速下转矩脉动,使电机在低转速下转矩平稳光滑。电机的主要参数见表1。

表1 电机主要参数

表1 电机主要参数

2 定子结构参数

    2.1 定、转子极槽配合的影响

    由公式(2)可知,齿槽转矩与电机的极槽配合有关,即电机转子旋转一周其齿槽转矩基波周期数为定子槽数和转子极数的最小公倍数,最小公倍数越大其齿槽转矩基波周期数越大,则齿槽转矩的幅值越低。一般选用电机极数和槽数相近的分数槽绕组来削弱齿槽转矩,因为分数槽绕组可使定子槽口处的齿槽转矩相位不同,因此叠加起来不但提高了基波齿槽转矩的周期数,而且会产生相互抵消作用,使齿槽转矩的幅值降低。但选取电机极槽配合时也要注意绕组因数(一般不低于0.866)和电机径向力不平衡等因素制约。本文通过有限元仿真技术,分别对8极12槽和10极12的齿槽转矩进行计算,在仿真中只计算一个电气周期,因此齿槽转矩分别出现6个周期和12个周期,且10极12槽电机的齿槽转矩峰峰值小于8极12槽电机齿槽转矩的峰峰值,该仿真结果与理论分析相吻合,其计算结果如图l所示(图中蓝色曲线为8极12槽,红色为10极12槽)。

图1 电机齿槽转矩

图1 电机齿槽转矩

    2.2 定子槽口的影响

    电机的磁通通过电枢齿形成磁路,其中一部分是沿着电机的径向方向,另一部分是沿着电机的切向方向由槽口内侧的位置进入电枢齿部(如图2所示)。当电机旋转。大部分磁通沿切向方向进入电枢齿部时,该位置即齿槽转矩的峰值位置。如果降低定子槽口的高度,即减少磁钢对电枢齿切线方向的吸引面积,会降低电机齿槽转矩的峰值。

    本文选用10极12槽结构电机,通过有限元仿真计算对电机的槽口高进行参数化扫描计算,其计算结果如图3所示。在图3给出了电机第一槽口高从0.5mm到3.Omm及对应齿槽转矩峰峰值的计算结果,图中第一槽口高与齿槽转矩的关系为非线性,当电机的第一槽口高为Imm时,其齿槽转矩峰峰值最小为65mN*m。

图2 电机磁力线分布

图2 电机磁力线分布

图3 齿槽转矩与槽口高的关系

图3 齿槽转矩与槽口高的关系

责任编辑:马倩
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