龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/d815659739.html, 永磁电机齿槽转矩的研究分析 作者：邓秋玲,黄守道,刘婷,谢芳 来源：《湖南大学学报·自然科学版》2011年第03期 摘要：研究了永磁电机齿槽转矩产生的机理和降低齿槽转矩的一些措施.以4极、48槽表面式稀土永磁同步电动机为例，利用二维有限元法分析了极弧系数、磁极偏移和开辅助槽对永磁电机齿槽转矩的影响.将理论分析得到的齿槽转矩结果与样机的齿槽转矩测试结果进行了比较，两者基本吻合.研究表明：通过选择合理的方法能够有效地降低齿槽转矩. 关键词：永磁电机;齿槽转矩;磁场分析;有限元分析 中图分类号：TM351 文献标识码：A Study of Cogging Torque in Permanentmagnet Machines DENG Qiuling1,2，HUANG Shoudao1, LIU Ting1, XIE Fang1 (1.College of Electrical and Information Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China; 2.College of Electric and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan, Hunan 411101,China) Abstract:The mechanism of the cogging torque generated in permanent magnet machines and some measures to reduce cogging torque were studied. Taking a rare earth type, permanent magnet synchronous motor with four poles, fortyeight slots, surfacemounted as an example, this paper analyzed the influence of pole arc coefficient, magnet pole displacement and adding supplementary slot on cogging torque in a twodimensional finite element analysis method. The computed cogging torque values were compared with the experiment values of the sample machine, both of which agree with each other well. The research results have indicated that, with the appropriate choice of these methods, the cogging torque can be reduced effectively. Key words:permanentmagnet machine;cogging torque;magnetic field analysis;finiteelement analysis 随着高性能永磁材料的发展和永磁电机设计制造技术的不断提高，永磁电机广泛应用于速度和位置控制系统中.在开槽永磁电机中，由永磁体和开槽电枢铁心之间相互作用产生的齿槽
齿槽转矩脉动 齿槽转矩是由转子的永磁体磁场同定子铁心的齿槽相互作用，在圆周方向产生的转矩。此转矩与定子的电流无关，它总是试图将转子定位在某些位置。在变速驱动中，当转矩频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能，和位置控制系统中的高精度定位。解决齿槽转矩脉动问题的方法主要集中在电机本体的优化设计 上。 （1）斜槽法定子斜槽或转子斜极是抑制齿槽转矩脉动最有效且应用广泛的方法之一，该方法主要用于定子槽数较多且轴向较长的电机。实践表明，采用斜槽角度为10°时，齿槽转矩的基波转矩幅值相当于直槽时的90％，3次谐波幅值相当于直槽时的30％，5次谐波幅值相当于直槽时的19％。值得注意的是，为产生恒定的电磁转矩，反电动势波形必须是平顶宽度大于120°的理想梯形波，而斜槽或斜极引起的绕组反电动势的正弦化将会增大电磁转矩纹波。因此，选择合适的斜槽角度是有效抑制齿槽转矩脉动的关键。 （2）分数槽法该方法可以提高齿槽转矩基波的频率，使齿槽转矩脉动量明显减少。但是，采用了分数槽后，各极下绕组分布不对称，从而使电机的有效转矩分量部分被抵消，电机的平均转矩也会因此而相应减 小。 （3）磁性槽楔法采用磁性槽楔法就是在电机的定子槽口上涂压一层磁性槽泥，固化后形成具有一定导磁性能的槽楔。磁性槽楔减少了定子槽开口的影响，使定子与转子间的气隙磁导分布更加均匀，从而减少由于齿槽效应而引起的转矩脉动。由于磁性槽楔材料的导磁性能不是很好，因而对于转矩脉动的削弱程度有限。 （4）闭口槽法闭口槽即定子槽不开口，槽口材料与齿部材料相同。因槽口的导磁性能较好，所以闭口槽比磁性槽楔能更有效地消除转矩脉动。但采用闭口槽，给绕组嵌线带来极大不便，同时也会＇大大增加槽漏抗，增大电路的时间常数，从而影响电机控制系统的动态特性。 （5）无齿槽绕组为了消除齿槽转矩脉动，可采用无槽绕组的永磁无刷直流电机，这种结构的电机定子可使用非导磁铁心的无齿槽空心杯定子结构（见图），能够彻底消除了齿槽转矩脉动的影响；但绕组电感显著减小，一般只有几μH到几十μH，因此定子电流中的PWM分量非常明显。
永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图一所示： 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。 永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流： Tm=KtIav （N·m） 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度： ELL=Keω （V） 所以电动机绕组中的平均电流为： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） 其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩： Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra） Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。
齿槽转矩测试的必要性和方法 近年来随着永磁材料的发展，永磁电机成了电机行业的新宠。然而在永磁电机中，齿槽转矩的存在给电机的控制性能造成了很大的影响，那齿槽转矩到底是怎么产生的？我们又该怎么去测呢？ 玩过永磁电机的朋友都有过类似的经历：我们在电机掉电的情况下去转电机的转子，发现会有一种卡顿的感觉，而不像传统直流电机那么顺畅的就能把转子徒手转起来。这种卡顿其实就是因为永磁电机存在齿槽转矩。永磁电机内部结构图如图1所示，齿槽转矩是永磁电机的固有的特征之一，它是在电枢绕组不通电的状态下，由永磁体产生的磁场同电枢铁心的齿槽作用在圆周方向上产生的转矩。它其实是永磁体与电枢齿之间的切向力，使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势，试图将转子定位在某些位置，由此趋势产生的一种振荡转矩就是齿槽转矩。 图1 永磁同步电机结构图 齿槽转矩会使电机产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能。在变速驱动中，当转矩脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。所以做永磁电机研发的工程师希望把自己做的电机的齿槽转矩降到最小，使用永磁电机的工程师则希望了解手上这台电机的齿槽转矩，从而去优化他的控制算法。 在国标GBT/ 30549-2014里对齿槽转矩的测试有了明确的定义：电机绕组开路时，电机回转一周内，由电枢铁心开槽，有趋于最小磁阻位置的倾向而产生的周期性力矩。齿槽转矩的测试方法常用的有：杠杆测量法、转矩仪法。杠杆测量法比较简单，测量精度比较差，所以主要用于对精度要求不高的场合。转矩仪法架构图如图2所示，由于伺服电机的齿槽转矩非常小，所以测试时需要以一个非常低的转速来带动未上电的被测电机来完成测试，
无刷直流电机的组成及工作原理 2.1 引言 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。 2.2 无刷直流电机的组成 2.2.1 电动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。 目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。 2.2.2 电子换相电路 控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT 模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 2.2.3 转子位置检测电路
永磁同步电机齿槽转矩分析与控制总结 齿槽转矩是永磁电机固有的特性，它会使电机产生转矩脉动，引起速度波动、振动和噪声，当转矩脉动的频率与电机定、转子或端盖的固有频率相等时，电机产生共振，振动和噪声会明显增大。齿槽转矩也会影响电机的低速性能和控制精度。 1.齿槽转矩定义：转子在旋转过程中,定子槽口引起磁路磁阻变化, 转子磁通与定子开槽引起的气隙磁导（磁阻的倒数）交互作用在圆周方向产生的转矩为齿槽转矩。 齿槽转矩也称定位转矩，它的产生来自永磁体与电枢齿间的切向力，使转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势. 2.齿槽转矩影响因素：齿槽形状、磁极极弧系数、永磁体形状、极槽配合、气隙、磁场强度等. 3.齿槽转矩每机械周期齿槽转矩周期数：N co=LCM（Z，2p），Z为槽数，2p为极数,LCM表示最小公倍数. 4.齿槽转矩一个周期机械角度为：θsk=360°／N co 5.齿槽转矩基波频率为： f c=N co n s=N co f p n s=f p (r/s)为同步转速，p为极对数，f为电源频率. 6.齿槽转矩的通用表达式： T co=∑T n ∞ n=1 sin(nN coθ+?n) n=1时对应的齿槽转矩的基波幅值为T1, θ为转子机械角位置. 7.齿槽转矩的计算： 齿槽转矩可以通过计算响应区域的磁能积得到，T ec=dW c dθ ，式中，磁共能： W c=∫Bθ2 2μ0 d(υr)(J) 对气间隙区域应用麦克斯韦张力张量法计算齿槽转矩，有： T ec=L L gμ0∫rB n S g B t ds，
L为有效转子长度；L g为气隙长度；μ0为自由空间磁导率；r为虚拟半径；B n和B t为气间隙磁通的径向和切向分量；S g为气隙表面积. 8.降低齿槽转矩措施： 1)无槽绕组：采用无槽绕组可以完全消除齿槽转矩，但气隙磁通密度会降低， 需要增加永磁体的材料（高度）. 2)定子斜槽：通常定子斜槽等于一个槽距，可将齿槽转矩降为零，但定子斜槽 减小电动势，电机性能会下降，转子偏心情况，斜槽有效性降低。 θco=θsk=2πN co 当定子叠片斜过这个角度时，齿槽转矩为： T sk= 1 θsk ∫T co θsk (θ)dθ= 1 θsk ∑∫T n 2π N co ∞ n=1 sin(nN coθ+?n)dθ= 1 θsk ∑[ ?T n cos(nN coθ+?n) nN co ] 2π N co ∞ n=1 =0 3)改变定子槽型：a.齿顶开辅助槽，辅助槽也产生齿槽转矩，辅助槽产生的齿槽 转矩与原定子槽产生的齿槽转矩会相互叠加，产生合成齿槽转矩，其相位差： φnc=2π s(N n+1) ，N n为每齿开的辅助槽数，谐波次数为(N n+1)及其倍数的齿槽转矩相互叠加后不为零且频率提高，而合成转矩的其他高次谐波则被消除。为使辅助槽能有效减小齿槽转矩，需要遵循一定的原则 （HCF[(N n+1)，N p]=1, HCF表示最大公约数，N p为1个齿距内的周 期数，N p=2p HCF[Z,2p] ），否则齿槽转矩可能反而会增大。定子齿开槽对电机性能有一定影响，会降低反电动势. b.减少槽口的宽度，一般情况齿槽转矩随着槽口宽度增大而增大，优化槽宽与 槽距的比值可降低齿槽转矩,但转矩波动可能会增大. c.闭口槽，设计闭口槽时需要正确设计相邻齿的连接桥，连接桥太厚，定子槽 漏磁太大而不可接受. d.不等齿宽槽.
ANSYS Maxwell 2D求解齿槽转矩的几种方法 齿槽转矩是永磁电机特有的问题之一，是高性能永磁电机设计和制造中必须考虑和解决的关键问题。其表现是当永磁电机绕组不通电时，永磁体和定子铁芯之间相互作用产生的转矩，它是永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的。Maxwell 2D可以有效仿真得出永磁电机电磁方案的齿槽转矩，且方法较多。本文以R17.2 RMxprt中的自带案例4极24槽“assm-1”为模板，介绍3种方法。 打开该案例后，首先将系统中的案例另存到工作目录下，然后在DesignSettings 中设置“Fractions 1”，计算并生成Maxwell 2D瞬态场算例。复制该算例，将新算例修改为静磁场算例，并分别再复制一次静磁场和瞬态场算例，删除RMxprt 算例，按照图1重命名各个算例。 图1 算例重命名 首先选中转子轭和4个永磁体，做旋转操作，在弹出窗口中设置旋转角度为变量“my_ang”，并定义变量初始值为“0 deg”，如图2所示。 图2 旋转转子
然后选中模型“Band”，在“Parameters”中定义求解转矩，如图3所示。 图3 定以转矩求解 在“Analysis”中添加1个“Setup”，设置迭代精度误差为0.1%，最后在“Optimetrics”中设置变量“my_ang”的扫描范围为线性步长[0 deg ,20 deg]，步长0.2 deg，如图4所示。 图4 Optimetrics扫描范围设置 设置完成后即可求解，求解完成后按照图5的设置，查看静磁场分析报告。因为本电机的轴向长度为65mm，而Maxwell 2D XY平面静磁场求解的对象默认长度为1m，因此需要在求解结果中加入“/1000*65”的运算。
直流无刷电动机及其调速控制 1．直流无刷电动机的发展概况与应用 有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。 1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用。1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。 随着现代永磁材料和相关电子元器件的性能不断提高，价格不断下降，无刷电动机的到了快速发展，并被广泛应用于各个领域，例如，在数控机床、工业机器人以及医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺机械和家用电器等小功率场合，计算
中图分类号:T M36+ 1 文献标志码:A 文章编号:100126848(2009)0320036203 三槽无刷直流电动机 吕学文,吕瑰丽,范 瑜 (北京交通大学电气工程学院,北京 100044) 摘 要:介绍了分数槽无刷直流电动机的优点,分析了三槽无刷直流电动机的特点、结构、控制系统与工作原理和控制方法等。实验结果表明,系统的硬件及控制策略设计合理,具有良好的运行性能。 关键词:无刷直流电机;反电势法;实验 Three 2teeth Slotted Brushless D i rect Curren tM otor LV Xue 2wen,LV Gui 2li,F AN Yu (Electrical Engineering School of Beijing J iaot ong University,Beijing 100044,China ) Abstract:The advantage of fracti onal sl otted brushless direct current mot or (BLDC Mot or )was intr o 2duced .Characters of three 2teeth sl otted BLDC mot or were analyzed .The structure,operati on p rinci p le and contr ol strategy of contr ol syste m were researched . It was shown that the hardware and contr ol strate 2 gy of this syste m were reas onable and good running perf or mance .Key W ords:B rushless DC mot or;Back E MF method;Ex peri m ent 收稿日期:2008203205 0 引 言 无刷直流电动机(BLDC M )既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好的特点,故在当今国民经济的诸多领域,如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。在有些领域,如家用小电器、电动玩具等,出于成本和制造工艺的考虑,希望所用电机越简单越好,因此三槽直流电机曾经风靡一时,但是由于传统的直流电机都采用电刷机械方法换向,因此会产生火花和电磁干扰,使电机寿命短,限制了其应用。文献[1]中提及的三槽无刷直流电机的方案给人们很大 启发。三槽无刷直流电机既具备三槽直流电机的结构简单和制造方便的特点,又可以避免其机械换向产生的火花、电磁干扰等缺点,改善了其性能,扩大了其应用领域。 1 分数槽电机 设电机总槽数为z ,极对数为p ,相数为m ,则每极每相槽数为: q =z 2m p (1) q 为整数,则为整数槽绕组;q 为分数,则为 分数槽绕组。本文所讨论的三槽无刷直流电机中, z =3,p =1,m =3,则: q = z 2m p =32×3×1=1 2 (2) 故三槽无刷直流电机属于分数槽电机的一种。采 用分数槽的主要优点是:(1)电枢冲片的齿槽数减少,便于电枢冲片和铁心的制作;(2)每个齿上绕制一个集中线圈,从而可采用自动绕线机绕制,可以显著地提高劳动生产率,降低电动机的制造成本;(3)能显著地缩短电枢线圈的端部长度,节省铜材,并减小电枢漏抗,增加电动机的出力,提高灵敏度和效率;(4)减小齿槽效应引起的转矩脉动 [2] 。 2 三槽无刷直流电动机 211 电机本体 有的应用场合,如剃须刀、录音机、小玩具、内置式血泵等,主要从电机的的体积和电磁功率两个方面去考虑电机本体的设计。从无刷直流电机的设计角度来讲,在电磁负荷一定时,电动机的体积随电动机电磁功率的增加而增加,随电动 ? 63?微电机 2009年第42卷第3期
无刷直流电动机无传感器低成本控制方法关键词：无刷直流电动机无位置传感器控制可编程逻辑器件 1引言 无刷直流电机的无传感器控制是近年来电机驱动领域 关注的一项技术。无位置传感器控制的关键在于获得可靠 的转子位置信号，即从软、硬件两个方面间接获得可靠的 转子位置信号来代替传统的位置传感器［1~3］。采用无传感 器控制 技术的无刷电机具有结构简单、体积小、可靠性高和可维 护性强等优点，使其在多个领域内得到了充分的利用［4］。 目前对于无传感器无刷电机的控制多采用单纯依靠 DSP软件控制的方法［5］，但 是由于控制算法计算量大，执行速度较慢，且DSP 成本较高，不利于以后向市场推广。同时也出现了应用于 无传感器BLDCM控制的一些专用的集成电路［6］，但由于 这些芯片可扩展性和通用性较 低，而且价格昂贵，只适用于低压、小功率领域。为了扩 展无传感器BLDCM应用领域，降低其控制系统的成本， 扩充控制系统的功能，增加控制系统的灵活性，本文以 MCU+PLD方式组成控制系统的核心，利用PLD数字逻 辑功能，分担MCU 的逻辑运算压力，使MCU和PLD的 功能都得到了最大程度的发挥。对于无位置传感器 BLDCM 控制系统，本文着重分析了换相控制策略和闭环调速，最 后通过仿真和实验，验证了控制系统的合理性和可行性。 2系统的总体硬件设计 本文中所设计系统是以8位PIC单片机和 PLD构成的硬件平台，硬件结构框图如图1所示。 功率逆变电路采用三相全桥逆变结构，电机定子绕组 为Y接法，电机工作模式为三相6状态方式。在本文无传 感器控制方式中采用反电动势过零位置检测方法，位置检 测电路根据电机端电压获取3路位置信号，将信号送入 PIC单片机进 行软件移相后得到3路换相信号，由可编程逻辑 器件进行逻辑解码后输出6路驱动开关管的前极 信号，通过驱动芯片IR2233产生驱动信号以控制 各开关管的导通与关断。该系统采用速度单闭环方式，通 过改变PWM的占空比以达到调速的目的。 本文中选用Microchip 公司的单片机PIC16F874作 为控制核心，它内部有8K的FLASH 程序存储器，368字 节的数据存储器（RAM），256字节的EEPROM数据存 储器，14个中断源， 8级深度的硬件堆栈，3个定时/计数器，两个捕 捉/比较/PWM （CCP）模块，10位多通道A/D转换器 等外围电路和硬件资源⑹。这些使得运用 PIC16F874在设计硬件电路时，控制电路大大简化，可靠 性提高，调试更加方便。 PIC16F874单片机的B端口的4~7 口具有电平变 化中断的功能，利用RB5~RB7作为反电动 势的过零点检测信号的输入，如已开RB 口中断， 一旦有过零点出现（发生电平的变化）就进入RB 口中断服 务。利用CCP模块输出占空比可调的信号，可实现直流 电机调速。 3控制方法 3.1软件相移补偿 由于采用脉宽调制技术进行调速，导致无刷电 机端电压波形中存在一定的高频调制分量，因此在反电势检 测中必须采用有源低通滤波电路以滤除高频分量，避免得到 图1系统总体结构硬件框图
齿槽转矩、 一、问题描述 1.齿槽转矩T cog ：当永产生的转矩即为T cog ，它是 是永磁电机特有的问题之关键问题。 2.饱和电感：绕组存在导致绕组电感变化。考虑高电机模型精度有重要意 3.饱和磁链：绕组交链存在饱和现象。 二、基于Maxwell 2d 的求Maxwell 2D 可以有效对于求Tcog，方法很多为模板，介绍3种方法。打开该案例后，首先Settings 中设置“Fract 算例，将新算例的类型修例，删除RMxprt 算例，按 1.静磁场扫描转子旋转角首先，选中转子轭和4在弹出窗口中将旋转角度弹出的窗口中，定义变量磁链等随电流变化的规律 ANSYS Maxwell 求解 、饱和电感、饱和磁链 永磁电机绕组不通电时，永磁体和定子是永磁体与电枢齿之间相互作用力的之一，是高性能永磁电机设计和制造中在电感，当电机负载不同时，铁心的虑不同负载电流、不同转子角度下的绕意义。 链有磁链，跟电感一样，磁链也受电流求解T cog 的方法 仿真得出永磁电机电磁方案的齿槽转多。本文以R17.2 RMxprt 中的自带案例 先将系统中的案例另存到工作目录ions 1”，计算并生成Maxwell 2D 修改为静磁场算例，并分别再复制一按照图1重命名各个算例。 图1 算例重命名 角度的方法 个永磁体，做旋转操作（选菜单Edit 度设置为一个新变量“my_ang”（如图量“my_ang”的初值为“0 deg”。律，则类似地在输入电流的地方，将电链的方法 子铁芯之间相互作用 的切向分量引起的。T cog 中必须考虑和解决的的磁饱程度会有差异，绕组电感变化，对提流、转子角度的影响，转矩、电感、磁链。 例4极24槽“assm-1”录下，然后在Design 瞬态场算例。复制该一次静磁场和瞬态场算 t->Arrange->Rotate），图2），并确定；在新（如要求转矩、电感、电流定义为新变量。）
基于ANSOFT的永磁同步伺服电机齿槽转矩分析 第32 卷第4 期2014 年07 月佳木斯大学学报( 自然科学版) Journal of Jiamusi University ( Natural Science Edition) Vol．32 No．4 July 2014 文章编号: 1008 －1402( 2014) 04 －0559 －04 基于ANSOFT 的永磁同步伺服电机齿槽转矩分 析 1 2 1 黄金霖，易靓，曹光华 ( 1．安徽机电职业技术学院电气工程系，安徽芜湖241000; 2．江西理工大学电气工程与自动化学院，江西赣州341000) ① 摘要: 齿槽转矩是永磁电机的固有属性，引起电机的转矩波动，产生振动和噪声．为减小齿槽转矩，提高永磁伺服电机的控制精度，在研究永磁电机齿槽转矩产生机理的基础上，根据永磁电机齿槽转矩的解析式，研究定子齿部开辅助槽和转子磁极偏移对永磁电机齿槽转矩的影响; 利用有限元软件ANSOFT，建立36 槽8 极永磁伺服电机的有限元分析模型，计算不同尺寸辅助槽和磁极偏心距离时的齿槽转矩，分析辅助槽尺寸和磁极偏心距离对齿槽转矩的影响．研究结果表明，合理的辅助槽尺寸和磁极偏心距离可有效削弱永磁伺服电机的齿槽转矩．关键词: 齿槽
转矩; 磁极偏心; 辅助槽; 永磁电机 中图分类号: TM303 文献标识码: A 随着矢量控制算法、电力电子器件和计算机控制技术的不断发展，永磁伺服电机的应用越来越广．在数控机床、小型机器人、机械传动设备以及混合电动汽车等领域，永磁伺服电机已经代替传统的异步电机和直流电机成为许多领域必不可少的传［1］， 动设备． 永磁伺服电机结构与普通异步电机相比，转子永磁体取代了传统的转子绕组，转子永磁体的存在，使得电机的效率和功率密度高; 与此同时，转子永磁体与定子槽相互作用，产生齿槽转矩，使得电机转矩波动增加，产生振动与噪声，影响伺服电机的控制精度．齿槽转矩是永磁电机特有的属性，因此，怎样减小永磁电机的齿槽转矩成为相关专家学者研究［2］ 的重点之一． 其中，μ0 是空气磁导率． ( 2) 以及气隙磁密随着电机定转根据式( 1) 、 子相对位置角和沿气隙切向不同位置分布的解析表达式，得到齿槽转矩的表达式为: T cog = － 1 α
. .. 无刷直流电动机的发展现状 无刷直流电动机的发展现状：无刷电动机的诞生标志是1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。 直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。 无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可*、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。 在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM），BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而BLDCM的应用较PMSM要广泛的多。 无刷直流电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。
永磁同步电机的齿槽转矩 齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和定子铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的。齿槽转矩是永磁电机特有的问题之一，会导致转矩波动，引起振动和噪声，影响系统的控制精度，因此在永磁电机的设计中必须考虑和解决。 削弱齿槽转矩的方法可归纳为三大类，即改变永磁磁极参数的方法、改变电枢参数的方法以及电枢槽数和极数的合理组合（极槽配合）。 （1）改变磁极参数的方法 改变磁极参数的方法是通过改变对齿槽转矩起主要作用的Bm 的幅值，达到削弱齿槽转矩的目的。这类方法主要包括：改变磁极的极弧系数、采用不等厚永磁体、磁极偏移、斜极、磁极分段、不等极弧系数组合和采用不等极弧系数等。 （2）改变电枢参数的方法 改变电枢参数能改变对齿槽转矩起主要作用的Gn的幅值，进而削弱齿槽转矩。这类方法主要包括：改变槽口宽度、改变齿的形状、不等槽口宽、斜槽、开辅助槽、槽口偏移等。 齿槽转矩是由于电枢开槽引起的，槽口越大，齿槽转矩也越大。在工程实际中，槽口宽度取决于导线直径、嵌线工艺等因素。从削弱齿槽转矩的角度看，应尽可能减小槽口宽度，如果可能，可以采用闭口槽、磁性槽楔或无齿槽铁心。
（3）合理选择电枢槽数和极数 该方法的目的在于通过合理选择电枢槽数和极数，改变对齿槽转矩起主要作用的Bm和Gn的次数和大小，从而削弱齿槽转矩。 在电机设计和工程实际中，可根据实际情况采用合适的削弱方法，既可采用一种方法·，也可采用几种方法的组合。 专业术语： 永磁同步电机：Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM) 齿槽转矩：cogging torque 永磁体：p ermanent magnet 相互作用力：interaction force 切向力：tangential force 振动：vibration 极槽配合：slot-pole combination 定子：stator 电枢：armature 转矩波动：torque ripple 磁极：magnetic pole 极弧系数：pole-arc coefficient 磁极偏移：permanent magnet shift 斜极：skewed pole 斜槽：skewed slots 槽口偏移：slot-opening shift
有槽无刷直流电动机设计流程 一. 主要技术指标的输入 额定电压N U 、额定转速N n 、额定功率N P 、预取效率η'、工作状态、设计方式。 其中工作方式有短期运行和长期运行两个选项，设计方式有按方波设计和按正弦波设计两种方式。 二． 主要尺寸的确定 计算功率i P ' 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?' ' +='ηη431 预取值的输入 预取线负荷s A ' 预取气隙磁密δB ' 预取计算极弧系数i α 预取长径比λ′（L/D ） 计算电枢内径 3 11.6N s i i i n B A P D λαδ'''' =' 根据计算电枢内径取电枢内径值1i D 极对数p 计算电枢铁芯长 1i D L λ'=' 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L 实际长径比 D L = λ 输入永磁体轴向长m L 、转子铁芯轴向长Lj1 极距 p D i 21 πτ= 输入电枢外径1D 以及气隙宽度(包含紧圈)δ的值 三．定子结构 齿数 Z 齿距 z D t i 1 π= 槽形选择 共七种，分别如下表。
预估齿宽: Fe t t K B tB b δ = (t B 可由设计者经验得) 预估轭高: 1 1122j Fe i Fe j j B K B a K lB h δ δτ≈ Φ= (1j B 可由设计者经验得) 齿高t h 电枢轭高t i j h D D h --= 2 1 11 气隙系数 2 01 0101)5()5(b b t b t K -++= δδδ 电枢铁心轭部沿磁路计算长度 1111)2 1(2) 2(j i j t i i h p h h D L +- ?++= απ 电枢铁芯材料确定(从数据库中读取) 电枢冲片材料 电枢冲片叠片系数1Fe K 电枢冲片材料密度1j ρ 电枢冲片比损耗)50/10(s p 电枢铁损工艺系数a K 开口梯形槽1 开口口半梨形槽2 图 形 结 参 构 数 槽口宽01b 槽口深01h 槽肩宽1x b 槽肩深1x h 槽底宽1d b 槽身深1s h 槽口宽01b 槽口深01h 槽肩圆弧直径1x b 槽底宽1d b 槽 深1s h 净 2 1 1118 sin 2x s x d s b a a h b b S +-+?+= π
无刷直流电动机简介和基本工作原理 无刷直流电动机简介和基本工作原理 无刷直流电动机简介 直流无刷电机 :又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统” 。是将交流电源整流后变成直流， 再由逆变器转换成 频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。 无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控 制,是当今最理想的调速电机。 无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳 选择。 基本工作原理 无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速 度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始
直流无刷电机BLDCM与永磁同步电机PMSM的比较 直流无刷电机BLDCM Brushless Direct Current Motor 永磁同步电机(交流无刷电机) PMSM(BLACM) Permanent Magnet Synchronous Motor (Brushless Alternating Current Motor) 1 PMSM和BLDCM相同点和不同点 1.1 PMSM和BLDCM的相似之处 两者其实都是交流电机，起源不同但从结构上看，两者非常相似。 PMSM起源于饶线式同步电机，它用永磁体代替了绕线式同步电机的激磁绕组，它的一个显著特点是反电势波形是正弦波，与感应电机非常相似。在转子上有永磁体，定子上有三相绕组。BLDCM起源于永磁直流电机，它将永磁直流电机结构进行“里外翻”，取消了换相器和电刷，依靠电子换相电路进行换相。转子上有永磁体，定子上有三相绕组。 1.2 PMSM和BLDCM的不同之处 反电势不同，PMSM具有正弦波反电势，而BLDCM具有梯形波反电势。 定子绕组分布不同，PMSM采用短距分布绕组，有时也采用分数槽或正弦绕组，以进一步减小纹波转矩。而BLDCM采用整距集中绕组。 运行电流不同，为产生恒定电磁转矩，PMSM需要正弦波定子电流；BLDCM需要矩形波电流。PMSM和BLDCM反电势和定子电流波形如图1所示。 永磁体形状不同，PMSM永磁体形状呈抛物线形，在气隙中产生的磁密尽量呈正弦波分布；BLDCM永磁体形状呈瓦片形，在气隙中产生的磁密呈梯形波分布。 运行方式不同，PMSM采用三相同时工作，每相电流相差120°电角度，要求有位置传感器。BLDCM采用绕组两两导通，每相导通120°电角度，每60°电角度换相，只需要换相点位置检测。正是这些不同之处，使得在对PMSM和BLDCM的控制方法、控制策略和控制电路上有很大差别。 2 PMSM和BLDCM特性分析 2.1按照空间应用中最关心的特性：功率密度、转矩惯量比、齿槽转矩和转矩波动、反馈元