如何減小無刷電機(jī)的磁反應(yīng)力矩
1 前言
小型永磁無刷電機(jī)廣泛用于oa、fa機(jī)器的驅(qū)動。在這一應(yīng)用領(lǐng)域大多要求高精度恒速驅(qū)動，另外在低振動、低噪音等方面要求越來越高；因此除了要求電機(jī)電流產(chǎn)生的電磁力矩脈動要小外，還要求減小永磁磁場和鐵心結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁反應(yīng)力矩變化要小。
本文綜述減小永磁電機(jī)磁反應(yīng)力矩的方法，特別剖析表面磁鋼無刷電機(jī)，介紹如何從設(shè)計(jì)對就著手減小磁反應(yīng)力矩。
2減小磁反應(yīng)力矩方法概要
永磁體的磁通會因磁路的導(dǎo)磁率的變化而有所增減，由于磁場的能量變化造成磁反應(yīng)力矩產(chǎn)生正反方向的交替。因?yàn)閷?dǎo)磁率的變化是由鐵心槽和磁極位置的相互關(guān)系而產(chǎn)生的，所以減少導(dǎo)磁率的變化有助于降低磁反應(yīng)力矩。根據(jù)這一觀點(diǎn)減小磁反應(yīng)力矩的方法可以簡單地歸納如表1所示。下面對各種方法概要說明。
上表中的第1種方法采用斜槽定子鐵心在感應(yīng)電機(jī)等中已廣泛采用，但由于直接繞線生產(chǎn)難度大，所以永磁電機(jī)中采用磁鋼斜充磁，將磁鋼軸向分割傾斜錯位組裝。
第2種方法為了緩解鐵心突極端部的空隙突然變化的影響，像圖1那樣將鐵心突極端部作成圓弧形或者傾斜形往往有效。
第3種方法是使磁感應(yīng)呈正弦波化，磁鋼的形狀作成中間厚兩邊薄的魚糕狀，改變磁鋼和空隙的長度，這種方法在pm（永磁）交流伺服電機(jī)中已經(jīng)采用（圖2）。另外還可以像圖3那樣讓磁鋼的磁化方向呈規(guī)則性變化，（半面充磁、極向異性）這樣在降低磁反應(yīng)力矩的同時(shí)，還能增加磁場密度。
第4種方法像圖4、圖5那樣改變鐵心突極的寬度或者磁鋼的寬度、間距，能起到綜合緩和端部變化的作用，可能得到斜槽同樣的效果。
第5種方法對于同樣大小的磁反應(yīng)力矩，發(fā)生的時(shí)間越短對于速度變化的影響就越小，這樣可以用增加鐵心的磁極數(shù)或者中間插入輔助極、輔助溝，使得磁反應(yīng)力矩的發(fā)生率高頻化、（短時(shí)間）這也是一種設(shè)想，但作者認(rèn)為僅僅高頻化不能取得良好的效果。
第6種方法是插入輔助溝設(shè)想的延伸，在槽口位置插入輔助極，抵消槽口的影響，也能起到降低磁反應(yīng)力矩的效果。但像圖6那樣沒有線圈采用輔助磁極，會造成磁力線分流，力矩降低的結(jié)果，下面會介紹如何消除插入輔助溝的不利影響。
第7種方法是不用輔助槽，只要磁極數(shù)和繞線槽數(shù)配合起來，也能達(dá)到磁反應(yīng)力矩最小化的結(jié)果。但這時(shí)的磁極最少在8個以上。
第8種方法是具有空隙繞線的平滑鐵心方式，原理是使導(dǎo)磁率保持不變，這樣可以完全不產(chǎn)生磁反應(yīng)力矩。從結(jié)構(gòu)上講是沒有問題的，但是磁體和繞線的成本上升了。
綜合考慮第6種方法和第7種方法最實(shí)用，這兩種方法結(jié)構(gòu)簡單、不會過多降低磁通量：只要用插入小的輔助溝或者選擇合適的磁極數(shù)和繞線槽組合就行了。下面就以這兩種方式為基礎(chǔ)，從理論和實(shí)用方面介紹改善磁反應(yīng)力矩的方法。
3 如何讓鐵心槽產(chǎn)生的磁反應(yīng)力矩最小
一般利用磁鋼和線圈激磁的電磁式電機(jī)產(chǎn)生的力矩，可以用全部磁能- wm的角度微分表示，如下式所示：
如果考慮到磁反應(yīng)力矩，wm是永磁體產(chǎn)生的磁能；它儲存在磁鋼和鐵心內(nèi)部以及空隙部。而磁鋼內(nèi)部的磁能基本是恒定的，如果鐵心是高導(dǎo)磁率的話，那么鐵心中的磁能就非常��；因此磁反應(yīng)力矩tc就可以只用氣隙部的磁能的角度微分來表示，如下式所示
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