永磁同步电机齿槽转矩分析及削弱措施综合研究

姜洋

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519000

【摘要】对比传统的电机技术，永磁电机的优点在于效率高且质量轻，性能稳定。目前，随着我国现代化工业技术发展，永磁材料技术也对我国的电机生产和制造垫底了基础。虽然永磁电机的优点明显且在电器产品、工业国防以及交通等产业方面获得了理想的成绩，但是在实际的生产中依旧存在着性能问题，其中齿槽转矩问题尤为突出。本文针对永磁电机设计中的齿槽转矩削弱情况进行研究，针对其位置结构的特点和方法进行探讨，力求找寻削弱齿槽转矩，提升电动机整体性能的措施。

【关键词】：永磁同步电机齿槽转矩；削弱；措施

齿槽转矩对永磁电机的生产运行会产生一定的影响，会从很多方面影响其功能性。因为电机的齿槽物理结构，在实际的生产运行中不可避免地在电机中会产生转矩，后期尽管不通电这种转矩效应依旧会存在，直接导致电机运行障碍，如产生噪声、振动等，降低电机性能。对比传统的励磁电机，永磁电机减去了励磁绕组和电源，简化电机组件后全面提升了电机的功能因素，进而全面简化了电机结构。在实际的生产运行中，永磁电机可以减少能源消耗，让冷却变得更加方便快捷，全面提升整个电机的运行效率。此外，采用永磁体励磁途径可增加电机的气隙磁密效果，同时减少电机的体积和重量，有效提升功率的质量比，进而让电机的结构变得更加紧凑。此外电机的形状和尺寸也十分多样化，励磁电机的材料来源也较为广泛，发展前景较好。

1.分析永磁同步电机的转矩的作用和影响因素

以上可知，永磁同步电机的功能特点显著且可以广泛运用多个领域。因为应用领域和环境的要求，不少的电机都需要通过降低转矩脉动来控制噪音、振动对机电系统的负面影响。转矩脉动属于永磁电机负面特性，若转矩波动的频率和定子、转子发生共振时，不仅会加重电机的振动和噪音，同时也会影响电机的正常操作，尤其是对一些高精度的操作造成严重的负面影响。

全面提升永磁电机的转矩效益，对提升永磁同步电机的功能有重要的价值和意义。因此从电磁转矩脉动的结构参数进行对比分析。

现有对电机转矩脉动的影响因素较多，可包括电磁因素影响、齿槽结构影响、电流转换影响等。首先，电磁因素导致的转矩脉动是因为定子电流和磁场电流相互作用而产生的，其和反电动势波、转矩脉动之间有一定的相关性，可通过谐波消去法、电机优化设计等方式来确定抑制效果。其次，齿槽导致的转矩脉动因素也被称之为磁阻转矩脉动，原因是因为电机定子齿槽结构和永磁体的切向分量力发生反应，导致一定波动而形成的。可通过极槽配合、永磁体优化等方式来抑制该问题。最后，无刷直流电动机和电枢反应也较为常见。无刷直流电动机的电流转向会直接引起转矩脉动、而电枢反应或可通过电枢和气隙磁感应效果、电枢反应磁场的静止、变动等来实现。

2.分析齿槽转矩的产生原因和具体表现

2.1分析齿槽转矩发生的主要原因

从表现形式来看齿槽转矩主要是因为电机的本身物理结构发生变化而导致的。在永磁电机的实际运行中因为转矩的运动可能会导致电机输出转矩脉动带来噪声和振动，而永磁电机的永磁体和齿槽结构之间存在相互作用力，即使绕组不通电也客观存在齿槽转矩现象。转子转动的时候，永磁体的极弧部分位置对应的电枢齿和永磁体之间的磁导作用不会发生变化，而磁导变化较大也会直接引起内部的磁场能量储存发生变化，出现齿槽转矩问题。

2.2齿槽转矩的能量分析

目前计算齿槽转矩的计算方式较多，可结合实际的需求选用麦克斯韦法、有限元分析法、虚位移法等。可采用能量法来保证电机磁通不变，进而求出电机磁场储存的能量以及对位移的导数，保证电流的恒定的前提来确定对虚位移的结果，进而计算出相应的结果。首先能量法可针对定转子相对运动问题进行分析。如永磁体极弧部分的相对电枢齿情况，电枢齿一般是跟随永磁体的磁导发生变化，永磁体两端的电枢齿发生变化就会引起齿槽转矩。其次，麦克斯韦张量法是采用等效的磁张力，并用面积力来代替体积力的方式，在二维的磁场操作中较为常见。最后是有限元分析法，该方法主要是利用数值计算的方式来进行商业有限元分析，常用的软件包括了ANSYS、ANSOFT等。可到较高的计算精度。

3.基于电机参数和齿槽转矩削弱研究分析

目前，我国的电子器件生产和电机设计制造技术发展迅速，对比其他的工业化生产技术，永磁电机的运用较为广泛，且效率高，操作简单，适用范围广，具有较为明显的运用价值和意义。从现有的情况来看，气隙磁导呈周期性分布，永磁体和槽电枢铁芯之间会发生相互作用，永磁转子转动引起气隙磁场储能周期性变化，进而会产生齿槽转矩。有效规避齿槽转矩需要结合其运用表现和计算原则进行削弱。

3.1结合能量法的永磁电机齿槽削弱原理分析

针对实际的电机参数设计要求，齿槽转矩削弱方式可分为三个方面。第一是改变永磁体的参数、第二是改变电枢参数、最后是改变磁极的个数。

改变永磁体的参数即改变永磁体的极弧系数、不等极弧系数等；改变电枢的参数需要改变电机的齿槽结构、不等槽口宽度以及开辅助槽等；合理极槽配合需要改变电枢的槽数和极数。

3.2有限元验证分析法

有限元验证分析可结合实际的永磁发电机结构的特点采用ANSOFT软件，设置参数为定制外径120mm，内径为80mm；转子外径为70mm，内径为30mm。铁芯的长度为60mm，气隙为2mm；剩磁密度为1.25t。极弧系数为0.65-0.85；额定功率为1.8KW。

经过验证分析可知，当其中的一对永磁磁极逆时针旋转时候，会使逆时针方向永磁磁极之间的气缝隙变小，漏磁量增加。定转子之间耦合磁场会变小，从而使齿槽转矩变小。经过有限元理论计算可得到最佳极弧系数为0.658、0.778；但是极弧系数为0.69、0.82时候齿槽转矩最小，此时最优的极限弧度系数的比值较大。从现有的计算结果来看，槽口宽度为0.5mm、5mm、5.5mm时候齿槽转矩有明显变化，当齿槽转矩的比例接近0.65时候，得到的波动频率最佳。

3.结语

综上所述，结合现有的永磁同步电机的运行方式来看，为了减少电机齿槽转矩的影响，建议相关单位采用针对性处理技术，如可以通过改变能量参数、更改极弧系数、槽口宽度等方式来最佳削弱齿槽转矩的途径。

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