削角磁極抑制永磁電動機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的研究
辛懋,韓力
(重慶大學(xué),重慶400044)
摘要：齒槽轉(zhuǎn)矩對高性能永磁電動機(jī)的控制性能有很大影響,其削弱方法是永磁電動機(jī)研究的重要內(nèi)容之一。在分析永磁電動機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上,根據(jù)齒槽轉(zhuǎn)矩解析表達(dá)式．研究了采用削角磁極對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。結(jié)果表明,不同程度的削角對磁密平方的nz／2p次諧波分量的幅值影響很大,進(jìn)而影響齒槽轉(zhuǎn)矩的大小。在此基礎(chǔ)上,建立了時變運(yùn)動電磁場有限元模型,對不同程度削角磁極對應(yīng)的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了計算,找到了****削角位置。通過對比分析,驗證了所得的結(jié)論是正確有效的。
關(guān)鍵詞：永磁電動機(jī)；齒槽轉(zhuǎn)矩；削角磁極；有限元
中圖分類號：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)09-0004-04
0引 言
齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電動機(jī)的一種固有現(xiàn)象,它是在電樞繞組不通電的情況下,由永磁體磁場與電樞鐵心的齒槽相互作用而在圓周方向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。隨著永磁材料性能的不斷提高,永磁電動機(jī)越來越廣泛地應(yīng)用于高性能的速度和位置控制系統(tǒng),而齒槽轉(zhuǎn)矩的存在,直接影響電機(jī)在速度控制系統(tǒng)中的低速性能和在位置控制系統(tǒng)中的精確定位。因此,如何有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩成為近年來永磁電動機(jī)研究的熱點問題之一[1-12]。
抑制永磁電動機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的方法可分為兩類：一是從控制策略上加以抵消,這是一種通過外因起作用的被動式抑制方法[1]；二是從電機(jī)本體的結(jié)構(gòu)參數(shù)出發(fā),改善電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計,盡量抑制齒槽轉(zhuǎn)矩,這是一種通過內(nèi)因起作用的主
動式抑制方法。其中,最常見且有效的方法為斜槽。將電機(jī)的定子或轉(zhuǎn)子鐵心沿軸向傾斜半個齒距時,齒槽轉(zhuǎn)矩可被削弱約50℅；若傾斜一個齒距,則可使齒槽轉(zhuǎn)矩降到接近于零[1-3]。但采用斜槽會使電機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝趨于復(fù)雜,并且在一定程度上降低了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。
由于齒槽轉(zhuǎn)矩與氣隙磁導(dǎo)的平方和氣隙磁密的平方的諧波分量之積直接相關(guān)[3-8]，因此對于不斜槽的電機(jī),改
變電機(jī)結(jié)構(gòu)來削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法又可分為兩種。一種方法是通過減小氣隙磁導(dǎo)平方的諧波分量,如文獻(xiàn)[3—4]采用在齒上開虛槽的方法來增加有效槽數(shù),進(jìn)而減小氣隙磁導(dǎo)平方的最小公倍數(shù)次諧波分量,達(dá)到減小齒槽轉(zhuǎn)矩的目的；文獻(xiàn)[4-5]用虛功原理推導(dǎo)出齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式,通過將氣隙磁導(dǎo)的平方進(jìn)行傅立葉分析,得出采用不同齒寬配合可以有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。另一種方法是通過減小氣隙磁密平方的諧波分量。如文獻(xiàn)[4]通過合理選擇極弧系數(shù),使氣隙磁密平方的諧波分量大幅度地減小,從而減小齒槽轉(zhuǎn)矩。國內(nèi)外對采用削角磁極來抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的方法研究較少。文獻(xiàn)[9]提出削角磁極可以使齒槽轉(zhuǎn)矩波形變得接近正弦波,與磁極沿軸向分段移位(即斜極)方法配合可以減小齒槽轉(zhuǎn)矩,但沒有單獨說明削角磁極對齒槽轉(zhuǎn)矩大小的影響。文獻(xiàn)[10]從理論上分析了采用軸向雙削角磁極結(jié)構(gòu)可以削弱齒槽轉(zhuǎn)矩,但沒有實例驗證。文獻(xiàn)[4]根據(jù)解析法推出的齒槽轉(zhuǎn)矩表達(dá)式,分析得出采用削角磁極可以抑制齒槽轉(zhuǎn)矩,但并沒有對如何削角以及不同程度削角對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響效果作出說明。
為此,本文對削角磁極抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的方法進(jìn)行了深入研究,首先從理論上分析了削角磁極抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的機(jī)理,然后以永磁直流電動機(jī)為實例,利用數(shù)值仿真原理,通過模擬齒槽轉(zhuǎn)矩的實際測量過程,建立時變運(yùn)動電磁場有限元模型,對不同削角磁極模型的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了計算。通過對比分析得出,只有在一定范圍內(nèi)的削角才能夠有效抑制齒槽轉(zhuǎn)矩；當(dāng)削角超過其臨界位置時,抑制效果反而會變差。
1齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式
根據(jù)虛功原理,忽略鐵心和永磁體中的能量變化,則齒槽轉(zhuǎn)矩可以表示為：
式中：α為齒中心線與永磁體中心線之間的夾角：θ為位置角；B |
