永磁电动机齿槽转矩研究

永磁电动机齿槽转矩研究

1转速驱动产生的误差永速机的电机转速呈一定方向和一定方向的对齐趋势。在这个趋势上，齿槽齿的旋转发生了变化。齿槽转矩的产生来自于转子永磁体与定子齿之间的切向力,是转子永磁体与定子齿槽相互作用的结果。在变速驱动中,当转矩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在位置控制系统中的高精度定位。本文介绍的是至目前为止采用的一些措施,可将齿槽转矩减小到普遍可接受的程度。2齿槽旋转抑制法2.1合成系统的扭矩特性对于正弦波和梯形波永磁电动机,齿槽转矩最小化技术的研究已大量呈现在各种文献中。但是,许多技术都是遵循着以往传统的交流和直流电机中降低脉动转矩的方法。其中最为大家熟悉且最有效的方法莫过于定子斜槽。一些研究已证实将定子槽相对于转子磁极倾斜一个定子齿距可使齿槽转矩降到非常低的程度。如果定子斜槽给制造工艺带来难题,那么转子磁极相对于定子斜一个齿距同样可达到相似效果。由于端部效应,实际上斜槽不能完全消除转矩脉动。采用斜槽或斜极的代价是使电机结构趋于复杂,并且在一定程度上降低了电机的输出转矩,尤其是每极齿数较少的电机。同时斜槽或斜极还将增加漏感和杂散损耗。2.2小气隙磁导变化对于齿槽转矩的产生,定子槽开口引起的气隙磁导变化是一个重要因素。许多技术都是针对减小气隙磁导变化或建议至少改善气隙磁导的谐波频谱。这其中最直观的方法是减小定子槽开口宽度或采用磁性槽楔。此种方法同样使定子结构复杂化。更进一步,在一些特殊应用的场合或对于特殊构造的电机(如盘式电机)可采用无槽定子结构,这样有利于从根本上消除齿槽转矩。2.3极弧宽度w对齿槽扭矩的影响改变极弧宽度对于齿槽转矩波形的幅值和形状都有重要影响。对于一个18槽、6极铁氧体永磁无刷电动机,极弧为180°电角度。如果极弧减小,齿槽转矩峰值亦减小,当减小到130°时,齿槽转矩的峰值随着极弧的减小将再度增加。对于一个36槽、4极表面磁钢NdFeB永磁电机,文献指出齿槽转矩的基波分量可通过适当选择极弧宽度W与齿距λ的比率而有效消除。文献指出对于径向充磁的永磁电机,合适的极弧宽度为W=(n+0.17)λ,其中n是一个整数;对于平行充磁的电机,合适的极弧宽度是W=6.41λ。需要指出的是极弧宽度不能简单地用n的倍数来表示。对文献所述样机,最佳极弧宽度可将齿槽转矩降为额定值的1%,而最差极弧宽度却达到25%。同时应该注意改变极弧宽度将以完全不同的方式影响齿槽转矩脉动和电磁转矩脉动。由于齿槽转矩仅取决于永磁体与定子槽的相互作用,而电磁转矩脉动取决于许多因素,其中反电动势波形因素反过来又取决于极弧。选取一个特定的极弧系数同时降低两种转矩脉动是不可能的。多数情况下采取一个折衷办法以求降低总的转矩脉动。2.4齿槽扭矩的测量(1)改变极弧宽度不能同时消除两种转矩脉动的基波分量。对于多极电机,移动间隔的每对磁极却能同时达到效果。当一对磁极相对于相邻极对旋转时,气隙磁导将保持不变,而磁场分布将要发生改变,这是由于励磁不再是以对称方式(仅含余弦项)而是一个对称分量(余弦项)和不对称分量(正弦项)的结合。将一个4极电机的一对磁极移动半个齿距并且选取合适的磁极宽度值,可同时降低两种转矩脉动。对于文献样机,可将齿槽转矩降为额定转矩的0.3%。实际的移动角度可由画图来确定。(2)若将电机转子磁钢沿轴向分为两组,其中一组相对于另一组移动半个齿槽转矩周期,由齿槽转矩公式:Τ(θ)=∞∑n=1Ansin(nθ+Ψn)h(1)T(θ)=∑n=1∞Ansin(nθ+Ψn)h(1)式中T(θ)——齿槽转矩An——傅里叶级数的系数Ψn——相应的初相角h——电机的轴向长度可得: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)注意到当n为偶数时,第二项与第一项相同;当n为奇数时,这两项符号相反。则:Τ(θ)=∞∑n=2,4,6Ansin(nθ+Ψn)h(3)T(θ)=∑n=2,4,6∞Ansin(nθ+Ψn)h(3)式(3)指出齿槽转矩的奇次谐波可被消除(包括基波),这表明正弦形齿槽转矩几乎可以得到抑制。2.5基于定径不均匀的电机利用定子槽的不均匀分布提供了又一个降低齿槽转矩的方法。根据叠加思想能够计算齿槽转矩分布。文献提供了一种定子槽不均匀分布方法。对于一个定子槽均匀分布的电机,将每间隔的槽移动dθ距离。这样总槽数Qs可分为相等的两部分Q1s、Q2s,合成齿槽转矩可简单表示为:T(θ)=T1(θ)+T2(θ)(4)若槽型相同,则:T(θ)=T1(θ)+T1(θ+dθ)(5)2.6转子槽内的气隙空间变化由于永磁体和铁心中静磁能量的变化相对于气隙可近似忽略,齿槽转矩可表示为:Τ(θ)=-△W△θ=-△Wairgap△θ(6)绝大多数能量变化发生在当磁极变化经过时的定子槽内的气隙空间。定子齿开槽(或称为齿分岔)可使电机增加一些附加的槽。当转子旋转时使电机的静磁能量起到一个小的变化。将每个定子齿开一个槽,可以得到齿槽转矩频率增加为2倍的同时峰值降低为原来的50%。针对不同的极数适当选择定子齿开槽数目,可有效抑制齿槽转矩脉动。对于一个结构对称永磁电动机,齿槽转矩的周期可由2π除以极数与定子槽数的最小公倍数确定;当定子齿开槽时,周期可由2π除以极数和定子槽数与定子齿开槽数的最小公倍数确定。2.7基波幅值分布当转子磁钢数一定时,定子采用分数槽提高了定子开槽数和转子磁钢数的最小公倍数,即提高了齿槽转矩基波的频率。由频谱函数特性可知,基波幅值随基波频率的增加而减小,这样,通过提高齿槽转矩的频率,就可达到减小齿槽定位力矩的作用。例如,对于槽数为28,极数为4的电机,在保持电机其它参数不变的前提下,只将槽数改为27,则齿槽定位力矩的幅值将降为原样机的7.12%。2.8槽转槽的形状和幅值如同改变极弧一样,改变磁钢磁化方向(径向或平行)对齿槽转矩的形状和幅值的改变都有作用。文献提供了一对相同尺寸的电机,转子磁钢分别为径向磁化和平行磁化,磁钢平行磁化的电机比径向磁化的电机齿槽转矩峰值降低了20%。2.9齿槽转动刚度测量对于双气隙、轴向磁场电动机,转子永磁体斜槽与传统的径向磁场电动机都具有降低齿槽转矩幅值的效果。当定子齿交错时,可将齿槽转矩降低到更低程度,基波频率变为原来的2倍。但是,用有限元分析方法却预测出定子齿槽交错将引起电机轴向力变动。若电机转子很轻,这些应力将引起机械振动、噪声和疲劳。因此,在电机设计中必须在齿槽转矩和轴向力变化方面采取折衷方案。较好的一个方案是制造齿槽不交错的电机,降低了轴向力变动,通过先进的定子电流控制措施降低齿槽转矩。2.10其他方法增大每极槽数,改变电机径向气隙长度,设计厚的定子齿尖以防饱和,改变定子齿槽比率和磁钢形状(开槽、凿孔)等都能引起齿槽转矩变化。3小齿槽扭矩的减少齿槽转矩减小技术都曾用于电机设计中,考虑到经济性,许多技术很少采用。例如大多数电