永磁電機齒槽轉(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)電氣工程與自動化學(xué)院，焦作454000)
摘要：由于永磁電機固有的結(jié)構(gòu)特點，存在齒槽轉(zhuǎn)矩，影響電機的低速性能和高精度定位。
系統(tǒng)闡述了永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩的研究現(xiàn)狀，分析了齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機理和分析計算方法，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)缺點和適用場合，最后展望了永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩的研究重點、難點以及研究方向。
關(guān)鍵詞：永磁電機；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，永磁電機以其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好以及電機形狀和尺寸靈活多樣等顯著優(yōu)點，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，尤其在機器人、精密電子儀器和設(shè)備等對電機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，永磁電機以其獨特的優(yōu)勢受到普遍的重視。然而，永磁電機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，降低永磁電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制特性和運行可靠性，影響系統(tǒng)的控制精度，并引起振動、噪聲等問題。針對上述問題，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。本文在分析永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理和計算方法的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有齒槽轉(zhuǎn)矩抑制方法進行歸納總結(jié)，分析各種方法的優(yōu)缺點和適用場合，為齒槽轉(zhuǎn)矩抑制技術(shù)的實際應(yīng)用和進一步研究提供借鑒。
1永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩
1．1齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理
永磁電機的齒槽轉(zhuǎn)矩是指電樞繞組開路時，由永磁體產(chǎn)生的磁場與電樞齒槽作用產(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的磁極數(shù)與槽數(shù)決定。實際上齒槽轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時電機中的靜磁能變化率。由于永磁體和鐵心中的靜磁能變化很小可以忽略，故電機的靜磁能近似等于氣隙中的靜磁能。當鐵齒槽時，磁場能量隨定子和轉(zhuǎn)子的相對位置發(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)子相對位置的函數(shù)，與電機齒槽的結(jié)構(gòu)和尺寸有很大關(guān)系。準確考慮齒槽結(jié)構(gòu)對電機氣隙磁場的影響是分析計算齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵。齒槽轉(zhuǎn)矩引起永磁電機的轉(zhuǎn)矩和速度波動，使電機產(chǎn)生振動和噪聲，當脈動轉(zhuǎn)矩的頻率與電樞
電流諧振頻率一致時，會產(chǎn)生共振，勢必會放大齒槽轉(zhuǎn)矩的振動和噪聲，嚴重影響電機的定位精度和伺服陛能，尤其在低速時影響更為嚴重。
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用、快捷的解析方法。它是分析永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩基波及低次諧波分量的一種行之有效的方法。文獻[415]采用解析法，對無刷永磁電機的齒槽轉(zhuǎn)矩進行計算。文獻[6]對嵌入式永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩進行預(yù)測，并研究不同的隔磁槽對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。文獻[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)矩計算，還可將數(shù)值法和解法結(jié)合起來使用。文獻[8]中采用解析方法對永磁電機進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小齒槽轉(zhuǎn)矩。采用解析法進行分析計算時，往往會將齒槽轉(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A ys、Anson、M。gnet等大型軟件的可視化窗口界面，建模過程簡單、計算精度高，缺點是耗時較長。國內(nèi)外采用FEM計算永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩的文獻很多。針對斜極、斜槽等不對稱結(jié)構(gòu)永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩可采用3一D FEM進行準確計算。
圖解分析法也叫磁通一磁動勢(FIux—MMF)繪圖法。在永磁電機中，只要繪制出任一極的磁通一磁動勢圖，就可以根據(jù)虛功原理求得齒槽轉(zhuǎn)矩。實際操作中可以通過有限元分析得到磁通量，相應(yīng)的磁動勢可通過退磁曲線得到。文獻[9]就采用這種方法對電機的齒槽轉(zhuǎn)矩進行計算，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)點間通過集中的磁導(dǎo)連接起來，單元節(jié)點磁場變量和標量磁位由相應(yīng)的磁導(dǎo)和磁勢決定。采用三維等效磁網(wǎng)絡(luò)方法，文獻[10]對兩相混合步進電機進行非線性分析。文獻[11]對無利永磁電機進行優(yōu)化設(shè)計。文獻[12]對齒形狀優(yōu)化，以降低無刷永磁電機的轉(zhuǎn)矩波動。
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