齿槽转矩形成的原因、对电机性能的影响和不同削弱方法的对比分析-

1、齿槽转矩形成的原因、对电机性能的影响和不同削弱方法的对比分析一、齿槽转矩形成的原因及影响齿槽转矩Cogging torque,是永磁电机的固有现象,它是在电枢绕组不通电的状态下,由永磁体产生的磁场同电枢铁心的齿槽作用在圆周方向产生的转矩。它的产生来自于永磁体与电枢齿之间的切向力,使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势,试图将转子定位在某些位置,由此趋势产生的一种振荡转矩1。无刷直流电动机电枢铁心为了安放定子绕组必定存在齿和槽,由于齿槽的存在,引起气隙的不均匀,一个齿距内的磁通相对集中于齿部,使得气隙磁导不是常数。当转子旋转时,气隙磁场的贮能就发生变化,产生齿槽转矩,这个转矩是

2、不变的,它与转子位置有关,因而随着转子位置发生变化,就引起转矩脉动2。它与转子的结构尺寸、定子齿槽的结构、气隙的大小、磁极的形状和磁场分布等有关,而与绕组如何放置在槽中和各相绕组中馈入多少电流等因素无关。齿槽转矩会使电机转矩波动,产生振动和噪声,出现转速波动,使电机不能平稳运行,影响电机的性能。同时使电机产生不希望的振动和噪声。在变速驱动中,当转矩脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时,齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。二、不同削弱方法及对比分析(1斜槽或斜极:定子斜槽或转子斜极是抑制齿槽转矩脉动最有效且应用

3、广泛的方法之一,该方法主要用于定子槽数较多且轴向较长的电机3。实践证明,斜槽使电机电磁转矩各次谐波的幅值均有所减小。而斜槽或斜极引起的绕组反电动势的币弦化将会增大电磁转矩纹波。斜极由于加工复杂、材料成本高而在工程上很少采用。(2磁极分块移位:由于转子斜极会使成本大大增加,并且加工工艺也会变得复杂,因而应用中往往采用磁极分块移位法,由通过计算得到磁极极弧系数,然后再把它优化,最后把几段分块磁钢沿周向错开一定角度安放来近似等效成一个连续的磁极4,通常有两种移位方法:连续移位和交差移位,前者消除的是磁钢分块数目整数倍以外的所有齿槽转矩谐波成分,后者只能消除齿槽转矩的奇数次谐波,对偶数次谐波没有影响。

4、(3分数槽法:此方法可以提高齿槽转矩基波的频率,使齿槽转矩脉动量明显减少。但是,采用了分数槽后,各极下绕组分布不对称从而使电机的有效转矩分量部分被抵消,电机的平均转矩也会因此而相应减小5。(4磁性槽楔法:采用磁性槽楔法就是在电机的定子槽口上涂压一层磁性槽泥,固化后形成具有一定导磁性能的槽楔。磁性槽楔减少了定子槽开口的影响,使定子与转子间的气隙磁导分命更加均匀,从而减少由于齿槽效应而引起的转矩脉动6。由于磁性槽楔材料的导磁性能不是很好,因而对于转矩脉动的削弱程度有限。(5闭口槽法:定子槽不开口,槽口材料与齿部材料相同,槽口的导磁性能较好,所以闭口槽比磁性槽楔能更有效地消除转矩脉动7。但采用闭口槽

5、,给绕组嵌线带来极大不便,同时也会大大增加槽漏抗,增大电路的时间常数,从而影响电机控制系统的动态特性。也可通过减少槽口宽度来减少齿槽转矩越,但槽口宽度的减小能够削弱齿槽转矩,却给绕组下线工艺带来困难,另外还使漏磁增加,最终影响电机出力。(6优化磁钢设计:平行充磁情况下电机气隙磁场和反电势波形更接近正弦波,平行充磁对转矩脉动影响较小;电机极对数越大,转矩脉动越大;电机极弧系数越大,转矩脉动越小8。(7无槽式绕组:齿槽转矩本质上是由永久磁钢产生的磁通势与由于定子开槽引起的磁阻变化相互作用而产生的,因此最彻底而又简单的方法是采用无槽式绕组结构。无槽结构早在上世纪70年代中叶就应用于直流电机中,电枢绕

6、组有粘贴在光滑转子表面的,也有做成动圈式(moving coil的,或者是盘式电机的印刷绕组(printed circuit winding,不管采用何种形式电枢绕组的厚度始终是实际气隙的组成部分,因此无槽式电机的实际等效气隙比有齿槽电机大得多,所需的励磁磁势也要大许多,这在早期限制了无槽电机的容量和发展。近几年来随着NeFeB等高磁能积的永磁材料的迅猛发展,为无槽式永磁Rl机的实用化提供了契机。目前应用于永磁无刷直流电动机的无槽式绕组主要可分为三大类:环形绕组、非重叠集中绕组和杯形绕组。(8辅助凹槽法:加辅助凹槽的目的是减少主要的谐波分量,同时辅助凹槽本身会产生谐波,当辅助凹槽产生的谐波与原

7、定子产生的谐波同相位变化时,会使定位力矩升高;反之,会使定位力矩降低10。辅助凹槽中心线与定子冲片中心线的夹角决定了二者是同相还是反相。所加辅助凹槽产生的谐波,将会抵消原来有害的谐波分量的P次谐波,同一冲片在对称位置上增加两个辅助凹槽的作用是相互抵消谐波分量,合适角度的选择,冲片坑口开口位置的减小,都能够减少能量变化。同一冲片上,辅助凹槽在对称位置上排布能取得较好的效果。参考文献1 唐任远.现代永磁电机理论与设计M.北京:机械工业出版社,1997:1-85.2 柴凤,李子鹏,程树康.永磁电动机齿槽转的抑制方法J.微机,2001,34(6:52-54.3 张颖.斜槽对永磁无刷直流电机齿槽转矩的影

8、响J.广西轻工业, 2008(11: 38-40.4 邱建琪.永磁无刷直流电动机转矩脉动抑制的控制策略研究D.杭州:浙江大学,2004.5 谭建成.三相无刷直流电动机分数槽集中绕组槽极数组合规律研究J.微电机, 2008, 41(5: 66-69.6 张海军,张京军,高瑞贞.采用磁性槽楔改善无刷直流电机的气隙磁场J华北电力大学学报. 2007.3(34:17-237 Han Kijin,Cho Hansan.Optimal core shape design for cogging torque reduction of brushless DC motor using genetic algorithmJ.IEEE Trans.on Magnetics,2000,36(4:1927-1931.8 杨云帆,李光