采用大小極結(jié)構(gòu)的永磁電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法
鄭文鵬，楊素香，趙振奎，施進(jìn)浩
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)
摘要：提出了一種適合于表貼式永磁電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法，轉(zhuǎn)子磁極采用不對(duì)稱的火小極結(jié)構(gòu)，一個(gè)碰極的寬度和其他磁極不同，其余磁極完全相同，各相鄰磁極之間的間隙相等，可以顯著降低電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，滿足自動(dòng)化、大批量生產(chǎn)的需要，有限元仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。
關(guān)鍵詞：表貼式永磁電動(dòng)機(jī)；齒槽轉(zhuǎn)矩；大小極
中圖分類號(hào)：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(20l0)05—0019—03
0 引言
永磁電動(dòng)機(jī)由于具有效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，在各種驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。但是，由于永磁電動(dòng)機(jī)中齒槽轉(zhuǎn)矩的存在，往往會(huì)帶來(lái)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲等不利影響。為此，在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，需要采取一定的措施來(lái)消除或削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。
到目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，提出了許多降低齒槽轉(zhuǎn)矩的措施[1-3]。定子采用斜槽的方法，可以有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩，該方法已經(jīng)大量應(yīng)用。但是，采用這種結(jié)構(gòu)后，一般難以采用自動(dòng)化嵌線裝置，無(wú)法滿足大批量、自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，同時(shí)也會(huì)降低槽滿率。為此，有人提出采用定子直槽、轉(zhuǎn)子斜極的方法來(lái)降低齒槽轉(zhuǎn)矩，這種方法對(duì)磁極的分段數(shù)以及每段磁極之間的相位差有較大的依賴性，轉(zhuǎn)子的制造也比較困難，如果設(shè)計(jì)不好，往往齒槽轉(zhuǎn)矩降低的效果不理想。文獻(xiàn)[4]給出一種通過(guò)不均勻放置永磁體降低齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，每塊磁鋼按照一定的角度放置，雖然可以降低齒槽轉(zhuǎn)矩，但是由于每塊磁鋼的角度需要特別計(jì)算，給電機(jī)的加工帶來(lái)諸多不便。文獻(xiàn)[5]給出了另一種磁極不對(duì)稱方法，只要通過(guò)改變相鄰槽口寬度的方法使磁極偏移，就可以實(shí)現(xiàn)降低齒槽轉(zhuǎn)矩的效果，可以降低電機(jī)加工的復(fù)雜程度。但是該方法僅可以用于磁鋼內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，而不適用于表貼式結(jié)構(gòu)。
針對(duì)以上研究存在的問(wèn)題，本文提出了一種適合于定子直槽、轉(zhuǎn)子磁鋼表貼式永磁電動(dòng)機(jī)的磁極不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，只改變一個(gè)磁極的寬度，其余磁極完全相同，各相鄰磁極之間間隙夾角相等，因此也稱大小極結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)，可以有效降低齒槽定位轉(zhuǎn)矩，同時(shí)降低電機(jī)的加工難度，適合于大批量、自動(dòng)化生產(chǎn)。
1磁極不對(duì)稱結(jié)構(gòu)齒槽轉(zhuǎn)矩分析
假設(shè)電機(jī)的極數(shù)為2p，則采用大小極結(jié)構(gòu)的電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中大極寬度為θa，其余(卻1)個(gè)小極寬度為θb，相鄰磁極之間的間隙夾
假設(shè)定子鐵心的導(dǎo)磁率為無(wú)窮大，而且忽略永磁體內(nèi)能量隨轉(zhuǎn)子位置的變化，只考慮氣隙的能量對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，則氣隙內(nèi)的能量可表示為[6]：
式中：Br(θ)、g(θ，α)、hm分別為永磁體剩磁、有效氣隙長(zhǎng)度、永磁體充磁方向長(zhǎng)度。
將式(2)中有關(guān)表達(dá)式進(jìn)行傅里葉分解，即可得到磁場(chǎng)能量的表達(dá)式，進(jìn)而可以得到齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式。
1．1B2r(θ)的傅里葉分解表達(dá)式
根據(jù)圖1的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，假定理想情況下B2r(θ)沿圓周分布，如圖2所示。其表達(dá)式可表示如下：
2大小極結(jié)構(gòu)表貼式永磁電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法
從式(8)、式(9)可以看出，不同的磁鋼寬度θa、θb及間隙寬度θc對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩影響較大。若合理選取上述參數(shù)，可以消除某些次數(shù)的Brnz對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，從而可以有效削弱電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩。以一臺(tái)8極、24槽電機(jī)為例，電機(jī)主要參數(shù)如表1所示(Br=1.l T)。假設(shè)θa：θb=m，則在不同的θc(θc>0)時(shí)，Brnz隨m變化情況如圖3所示。一般情況
下，為避免電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失過(guò)大，m值應(yīng)接近1。從圖3中θc=5。(n=1時(shí)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩影響****)可以看出，當(dāng)m=1.393時(shí)，齒槽定位轉(zhuǎn)矩系數(shù)Brnz計(jì)算值  將式(6)、式(7)代入式(1)，得到表貼式磁鋼磁極不對(duì)稱時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：
式中：LFe為鐵心有效長(zhǎng)度；R1、R2分別為定子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑。
考慮到只有nz次諧波(這里n是使得nz/2p為整數(shù)的整數(shù))對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩有影響，因此：
3有限元驗(yàn)證及結(jié)果對(duì)比分析
為了驗(yàn)證本文提出的分析方法的正確性，基于電機(jī)磁場(chǎng)有限元分析軟件Maxweu2D對(duì)樣機(jī)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。同時(shí)，將本文提出的模型樣機(jī)和另外兩種結(jié)構(gòu)的模型樣機(jī)進(jìn)行了有關(guān)性能的對(duì)比，這兩種樣機(jī)的結(jié)構(gòu)分別如下：
模型1的磁極為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即各磁極完全相同，均勻分布；模型2為文獻(xiàn)[4]中所述的一種磁極非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，各磁極形狀相同，但是各個(gè)磁極的分布不均勻，其中第j塊磁鋼放置的角度滿足如下關(guān)系：
式中：Np為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周齒槽轉(zhuǎn)矩基波的交變次數(shù)。
圖4為本文模型和上述兩種模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比，其中圖4a為齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比情況，圖4b為相同電流時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)比情況。
假設(shè)以模型l的計(jì)算結(jié)果作為參考，則模型2和本文模型的齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況，如表2所示，其中齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低率、電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失率是指該模型轉(zhuǎn)矩與參考模型轉(zhuǎn)矩的差的****值除以參考模型轉(zhuǎn)矩。
由表2的對(duì)比分析可以看出，與磁鋼完全對(duì)稱分布結(jié)構(gòu)相比，采用本文模型結(jié)構(gòu)和文獻(xiàn)[4]提出的模型2結(jié)構(gòu)均可以有效降低齒槽定位轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低效果基本相近。但是，采用本文提出的結(jié)構(gòu)，電磁轉(zhuǎn)矩的損失率可比模型2有較大降低。綜上所述，本文提出的結(jié)構(gòu)具有較大優(yōu)點(diǎn)。
4結(jié)語(yǔ)
本文介紹了一種適合于表貼式永磁電動(dòng)機(jī)的大小磁極結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)磁極的寬度和其余磁極寬度不同，其他磁極完全相同，所有磁鋼之間的夾角相等。仿真結(jié)果表明，采用這種結(jié)構(gòu)的永磁電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩大大降低，在電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失不大的情況下，齒槽轉(zhuǎn)矩降低率達(dá)97％以上。永磁電動(dòng)機(jī)在采用直槽結(jié)構(gòu)時(shí)仍可獲得較小的定位轉(zhuǎn)矩，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
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