采用大小极结构的永磁电动机齿槽转矩削弱方法
郑文鹏，杨素香，赵振奎，施进浩
(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)
摘要：提出了一种适合于表贴式永磁电动机的齿槽转矩削弱方法，转子磁极采用不对称的火小极结构，一个碰极的宽度和其他磁极不同，其余磁极完全相同，各相邻磁极之间的间隙相等，可以显著降低电机齿槽转矩，满足自动化、大批量生产的需要，有限元仿真结果验证了该方法的有效性。
关键词：表贴式永磁电动机；齿槽转矩；大小极
中图分类号：TM351 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(20l0)05—0019—03
0 引言
永磁电动机由于具有效率高、功率密度大等优点，在各种驱动场合得到了越来越多的应用。但是，由于永磁电动机中齿槽转矩的存在，往往会带来电机转矩脉动，同时产生振动和噪声等不利影响。为此，在一些特殊的应用场合，需要采取一定的措施来消除或削弱齿槽转矩。
到目前为止，国内外学者进行了大量研究，提出了许多降低齿槽转矩的措施[1-3]。定子采用斜槽的方法，可以有效降低齿槽转矩，该方法已经大量应用。但是，采用这种结构后，一般难以采用自动化嵌线装置，无法满足大批量、自动化生产的需要，同时也会降低槽满率。为此，有人提出采用定子直槽、转子斜极的方法来降低齿槽转矩，这种方法对磁极的分段数以及每段磁极之间的相位差有较大的依赖性，转子的制造也比较困难，如果设计不好，往往齿槽转矩降低的效果不理想。文献[4]给出一种通过不均匀放置永磁体降低齿槽转矩的方法，每块磁钢按照一定的角度放置，虽然可以降低齿槽转矩，但是由于每块磁钢的角度需要特别计算，给电机的加工带来诸多不便。文献[5]给出了另一种磁极不对称方法，只要通过改变相邻槽口宽度的方法使磁极偏移，就可以实现降低齿槽转矩的效果，可以降低电机加工的复杂程度。但是该方法仅可以用于磁钢内嵌式结构，而不适用于表贴式结构。
针对以上研究存在的问题，本文提出了一种适合于定子直槽、转子磁钢表贴式永磁电动机的磁极不对称结构，只改变一个磁极的宽度，其余磁极完全相同，各相邻磁极之间间隙夹角相等，因此也称大小极结构。采用这种结构，可以有效降低齿槽定位转矩，同时降低电机的加工难度，适合于大批量、自动化生产。
1磁极不对称结构齿槽转矩分析
假设电机的极数为2p，则采用大小极结构的电机结构简图如图1所示。其中大极宽度为θa，其余(却1)个小极宽度为θb，相邻磁极之间的间隙夹
假设定子铁心的导磁率为无穷大，而且忽略永磁体内能量随转子位置的变化，只考虑气隙的能量对齿槽转矩的影响，则气隙内的能量可表示为[6]：
式中：Br(θ)、g(θ，α)、hm分别为永磁体剩磁、有效气隙长度、永磁体充磁方向长度。
将式(2)中有关表达式进行傅里叶分解，即可得到磁场能量的表达式，进而可以得到齿槽转矩的表达式。
1．1B2r(θ)的傅里叶分解表达式
根据图1的转子结构，假定理想情况下B2r(θ)沿圆周分布，如图2所示。其表达式可表示如下：
2大小极结构表贴式永磁电动机齿槽转矩削弱方法
从式(8)、式(9)可以看出，不同的磁钢宽度θa、θb及间隙宽度θc对电机齿槽转矩影响较大。若合理选取上述参数，可以消除某些次数的Brnz对齿槽转矩的影响，从而可以有效削弱电机齿槽转矩。以一台8极、24槽电机为例，电机主要参数如表1所示(Br=1.l T)。假设θa：θb=m，则在不同的θc(θc>0)时，Brnz随m变化情况如图3所示。一般情况
下，为避免电磁转矩损失过大，m值应接近1。从图3中θc=5。(n=1时对齿槽转矩影响****)可以看出，当m=1.393时，齿槽定位转矩系数Brnz计算值  将式(6)、式(7)代入式(1)，得到表贴式磁钢磁极不对称时的齿槽转矩表达式：
式中：LFe为铁心有效长度；R1、R2分别为定子内径和转子外径。
考虑到只有nz次谐波(这里n是使得nz/2p为整数的整数)对齿槽转矩有影响，因此：
3有限元验证及结果对比分析
为了验证本文提出的分析方法的正确性，基于电机磁场有限元分析软件Maxweu2D对样机参数进行了计算。同时，将本文提出的模型样机和另外两种结构的模型样机进行了有关性能的对比，这两种样机的结构分别如下：
模型1的磁极为对称结构，即各磁极完全相同，均匀分布；模型2为文献[4]中所述的一种磁极非对称结构，各磁极形状相同，但是各个磁极的分布不均匀，其中第j块磁钢放置的角度满足如下关系：
式中：Np为转子旋转一周齿槽转矩基波的交变次数。
图4为本文模型和上述两种模型计算结果对比，其中图4a为齿槽转矩对比情况，图4b为相同电流时的电磁转矩对比情况。
假设以模型l的计算结果作为参考，则模型2和本文模型的齿槽转矩、转矩脉动、电磁转矩的变化情况，如表2所示，其中齿槽转矩、转矩脉动降低率、电磁转矩损失率是指该模型转矩与参考模型转矩的差的****值除以参考模型转矩。
由表2的对比分析可以看出，与磁钢完全对称分布结构相比，采用本文模型结构和文献[4]提出的模型2结构均可以有效降低齿槽定位转矩和电磁转矩脉动，降低效果基本相近。但是，采用本文提出的结构，电磁转矩的损失率可比模型2有较大降低。综上所述，本文提出的结构具有较大优点。
4结语
本文介绍了一种适合于表贴式永磁电动机的大小磁极结构，其中一个磁极的宽度和其余磁极宽度不同，其他磁极完全相同，所有磁钢之间的夹角相等。仿真结果表明，采用这种结构的永磁电动机齿槽转矩大大降低，在电磁转矩损失不大的情况下，齿槽转矩降低率达97％以上。永磁电动机在采用直槽结构时仍可获得较小的定位转矩，具有实际应用价值。
|
