永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩綜合抑制方法研究現(xiàn)狀及展望
汪旭東，許孝卓，封海潮，上官璇峰
(河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，焦作454000)
摘要：由于永磁電機(jī)固有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存在齒槽轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)的低速性能和高精度定位。
系統(tǒng)闡述了永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的研究現(xiàn)狀，分析了齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機(jī)理和分析計(jì)算方法，歸納總結(jié)了齒槽轉(zhuǎn)矩抑制方法，深入分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合，最后展望了永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的研究重點(diǎn)、難點(diǎn)以及研究方向。
關(guān)鍵詞：永磁電機(jī)；齒槽轉(zhuǎn)矩；抑制方法；展望
0引 言
近年來，隨著永磁材料性能不斷提高，永磁電機(jī)以其體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好以及電機(jī)形狀和尺寸靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中[1]，尤其在機(jī)器人、精密電子儀器和設(shè)備等對(duì)電機(jī)性能和控制精度要求較高的高性能速度和位置控制系統(tǒng)中，永磁電機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到普遍的重視。然而，永磁電機(jī)中永磁體和開槽電樞鐵心相互作用，不可避免產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，降低永磁電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制特性和運(yùn)行可靠性，影響系統(tǒng)的控制精度，并引起振動(dòng)、噪聲等問題[2]。針對(duì)上述問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者提出了一系列行之有效的齒槽轉(zhuǎn)矩抑制解決方案[3-40]。本文在分析永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理和計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有齒槽轉(zhuǎn)矩抑制方法進(jìn)行歸納總結(jié)，分析各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合，為齒槽轉(zhuǎn)矩抑制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和進(jìn)一步研究提供借鑒。
1永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩
1．1齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理
永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩是指電樞繞組開路時(shí)，由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電樞齒槽作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置改變呈現(xiàn)周期性變化，周期大小由永磁電機(jī)的磁極數(shù)與槽數(shù)決定。實(shí)際上齒槽 轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電機(jī)中的靜磁能變化率。由于永磁體和鐵心中的靜磁能變化很小可以忽略，故電機(jī)的靜磁能近似等于氣隙中的靜磁能。當(dāng)鐵心有齒槽時(shí)，磁場(chǎng)能量隨定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置發(fā)生變化，并向著磁能積變小的方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，即齒槽轉(zhuǎn)矩，從本質(zhì)上而言是永磁體磁場(chǎng)與齒槽間作用力的切向分量[3]。齒槽轉(zhuǎn)矩總是試圖將轉(zhuǎn)子定位在某一位置，又稱齒槽定位轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩與定子電流無關(guān)，是定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置的函數(shù)，與電機(jī)齒槽的結(jié)構(gòu)和尺寸有很大關(guān)系。準(zhǔn)確考慮齒槽結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響是分析計(jì)算齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵。齒槽轉(zhuǎn)矩引起永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度波動(dòng)，使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，當(dāng)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的頻率與電樞電流諧振頻率一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，勢(shì)必會(huì)放大齒槽轉(zhuǎn)矩的振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重影響電機(jī)的定位精度和伺服性能，尤其在低速時(shí)影響更為嚴(yán)重。
1．2分析方法
分析齒槽轉(zhuǎn)矩常用的方法通常有解析法、有限元法、圖解法和等效磁網(wǎng)絡(luò)法。
傅立葉分析是一種實(shí)用、快捷的解析方法。它是分析永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩基波及低次諧波分量的一種行之有效的方法。文獻(xiàn)[4—5]采用解析法，對(duì)無刷永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算。文獻(xiàn)[6]對(duì)嵌入式永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行預(yù)測(cè)，并研究不同的隔磁槽對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。文獻(xiàn)[7]利用許一克變換，構(gòu)造了考慮齒槽效應(yīng)的等效氣隙磁導(dǎo)函數(shù)，提出了一種永磁無刷直流電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的解析方法，可用于磁極分段移位、齒面加輔助槽等結(jié)構(gòu)的齒槽轉(zhuǎn)矩計(jì)算，還可將數(shù)值法和解析法結(jié)合起來使用。文獻(xiàn)[8]中采用解析方法對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小齒稽轉(zhuǎn)矩。采用解析法進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，往往會(huì)將齒槽轉(zhuǎn)矩的高次諧波忽略掉，因而得到的結(jié)果精度不高，但仍可滿足工程需要。
有限元分析方法得到越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。FEM借助于Ansys、Ansoft、Magnet等大型軟件的可視化窗口界面，建模過程簡(jiǎn)單、計(jì)算精度高，缺點(diǎn)是耗時(shí)較長。國內(nèi)外采用FEM計(jì)算永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的文獻(xiàn)很多。針對(duì)斜極、斜槽等不對(duì)稱結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩可采用3一D FEM進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。
圖解分析法也叫磁通一磁動(dòng)勢(shì)(FJux．MMF)繪圖法。在永磁電機(jī)中，只要繪制出任一極的磁通一磁動(dòng)勢(shì)圖，就可以根據(jù)虛功原理求得齒槽轉(zhuǎn)矩。實(shí)際操作中可以通過有限元分析得到磁通量，相應(yīng)的磁動(dòng)勢(shì)可通過退磁線線得到。文獻(xiàn)[9]就采用這種方法對(duì)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，取得較好的效果。
三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法(EMcN)把模型離散為六面體單元，相鄰節(jié)點(diǎn)間通過集中的磁導(dǎo)連接起來，單元節(jié)點(diǎn)磁場(chǎng)變量和標(biāo)量磁位由相應(yīng)的磁導(dǎo)和磁勢(shì)決定。采用三維等效磁網(wǎng)絡(luò)方法，文獻(xiàn)[10]對(duì)兩相混合步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行非線性分析。文獻(xiàn)[11]對(duì)無刷永磁電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[12]對(duì)齒形狀優(yōu)化，以降低無刷永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 |
