一种基于磁极偏移的永磁电机齿槽转矩最优削弱方法
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永磁无刷直流电动机齿槽转矩的削弱秦虹浙江工业职业技术学院(312000)Methods to Reduce the Cogging Torque of PM Brushless MotorsQin HongZhejiang Industry Polytechnic College摘要:抑制齿槽转矩一直是永磁电机的重点和难点。
文章综述了削弱永磁无刷直流电动机齿槽转矩的主要方法,包括改变磁极参数、电枢结构、电枢槽数和极数的合理组合等3大类和极弧系数选择等11种具体措施。
关键词:无刷直流电动机齿槽转矩削弱技术Abstract: Inhibition on the cogging torque permanent magnet motor has been the focus and the difficulties for a long t ime. In this paper, the main methods to weaken permanent magnet brushless DC motor cogging torque, i nclud in g 3 major cat e gor ies: chan ge of ma g net ic parameters, change of armature structure and reasonable combinat ions of slot number against pole number in the armature, as well as 11 kinds of selection of special measures on coefficient of pole arc were described.Keywords: Brushless DC motor Cogging slot torq- ue Inhibition technology永磁电机的齿槽转矩是定子铁心齿槽与转子永磁体互相作用而产生的磁阻转矩。
永磁同步电动机(PMSM)的齿槽转矩(Cogging Torque)是由于定子和转子齿槽结构之间的相互作用导致的一种非线性力矩,它在电机旋转过程中会引起周期性的扭矩波动,对电机平稳运行、低速性能及定位精度造成影响。
以下是一些常见的补偿方法:
1. 设计优化:
- 改变齿槽形状:通过采用斜槽、不等分槽或错齿技术来改变定子和转子槽的几何形状,减少齿槽效应产生的均匀间隔的磁场分布。
- 调整极槽配合:例如使用斜极技术,使得磁极与槽之间不对齐,从而分散齿槽转矩峰值。
2. 磁极弧度修正:
- 磁极弧度的微小变化可以减小齿槽转矩,通过精确计算和制造工艺实现磁极形状的小幅修正。
3. 电气补偿:
- 注入反向电流:通过控制算法,在电机运行时向定子绕组注入特定的反向电流,以抵消齿槽转矩的影响。
- 磁场定向控制系统中的补偿算法:在高级矢量控
制中,利用观测器或模型预测控制器(MPC)估计并实时补偿齿槽转矩。
4. 机械补偿:
- 转子或定子结构上的机械预加载,虽然这种方法不常见且实施复杂,但在某些特殊应用中可能会用到。
5. 软件补偿:
- 在伺服驱动器的控制软件中加入齿槽转矩补偿算法,根据电机特性和实际测量数据进行动态补偿。
6. 材料和制造改进:
- 使用高磁导率材料或者优化铁芯叠片的厚度和绝缘涂层,减少气隙不均匀性。
现代电机控制技术通常结合多种方法共同作用,以有效降低永磁同步电动机的齿槽转矩,并提高其整体性能。
降低齿槽转矩的方法
齿槽转矩的产生是由于在磁通反向式电机中,随着转子的旋转,转子凸极与定子上的永磁体之间的位置不断发生变化,导致永磁磁场和转子齿产生相互作用力。
这种作用力的切向分量形成了齿槽转矩。
齿槽转矩相对于转子位置呈周期性变化,并且可能对电机的转矩和转速稳定性产生影响,导致振动和噪声。
为了降低齿槽转矩,可以考虑以下几种方法:
1.改变永磁体参数:通过对永磁磁极极弧系数进行调整、优化永
磁体的斜极和形状、开斜槽、开辅助槽等方式,可以有效地削弱齿槽转矩。
2.改变电枢参数:不等槽口宽度、槽口宽度调整、开设辅助槽、
改变齿的形状、斜槽等方法也可以用来削弱齿槽转矩。
3.合理的极槽配合:通过科学的选择电枢极数和槽数,可以对齿
槽转矩周期进行调整,从而达到削弱齿槽转矩的目的。
4.优化齿轮设计:通过优化齿轮的模数、齿数、齿形等参数,减
小齿轮的转矩,提高机器效率。
同时,加强齿轮加工工艺的控制,确保齿轮的准确度和平整度,也可以减小齿面的噪声和振动。
这些方法的具体应用需要根据电机的具体类型和工作环境进行选择。
总的来说,降低齿槽转矩的方法主要是通过改变电机的设计和参数,以减少永磁磁场和转子齿之间的相互作用力,从而减小齿槽转矩的影响。
永磁同步电机齿槽转矩分析及削弱措施摘要:永磁同步電机由于槽定子铁芯和永磁体之间相互作用会出现齿槽转矩,会产生非常大的噪音和振动,而且会对系统的控制精度造成影响,需要对永磁同步电机齿槽转矩进行分析。
文章首先对永磁同步电机齿槽转矩的原因进行了分析,然后对辅助齿高度和辅助齿宽度对齿槽转矩造成的影响进行了分析,并进行了验证。
关键词:永磁同步;齿槽转矩;削弱措施永磁电机的齿槽矩是转子永久磁体和铁芯齿槽相互作用下产生的磁阻转矩。
主要是因为定子齿槽和永磁转子磁极处于不同位置时,主磁路磁导会产生变化,即便是在电动绕组不通电的情况下,受齿槽转矩的影响,电机转子依然有停在圆周若干位置的趋势。
当电动机发生旋转时,齿槽转矩会表现为附加的脉动转矩虽然不会减少或者增加电动机的平均转矩,但是会引起噪音、电机振动、速度波动等,对电机定位的伺服性能和精度造成了比较大的影响,特别是在低速时产生的影响更大,为了提高电机运行的稳定性,需要解决齿槽转矩问题。
1 齿槽转矩出现的原理齿槽转矩主要是因为自身的物力结构产生的,永磁电机在实际运行过程中,齿槽矩会导致电机输出转矩产生脉动,并引起噪音和振动。
在实际运行过程中,当永磁磁极中心线和定子槽的中心线相互重叠,那么磁通在定子齿两侧产生的引力会互相抵消,这时齿槽转矩值为0。
而当永磁体逆时针旋转时,切向分力无法完全抵消掉,会产生一个齿槽转矩值。
定子齿和永磁磁极之间四种相对位置如图2所示。
在处于图1(a)的位置时,永磁体会和定子齿中心对齐,在转子齿侧面会产生相同的磁感应强度,并且受到的引起切向分量也一致,方向相反,会相互抵消掉。
将转子逆时针转动时如(b)所示,此时转子齿中心线会超前于磁极中心线,转子齿右半部分的磁场强度会高于转子齿左半部分的磁场强度,受到的引力切向量也不为零,受力方向和转子转动方向相反,表现为负值。
当定子磁极中心线和转子齿中心线之间的夹角变大时,会使和该齿临近齿的左半部分的磁感应强度变大,如(c)所示。
研究与开发年第期3减小齿槽转矩的永磁电机结构优化设计夏加宽于冰黄伟(沈阳工业大学电气工程学院,沈阳110178)摘要永磁电机在高性能控制系统中应用越来越广泛。
然而由于永磁体与有槽铁心相互作用,产生齿槽转矩,引起振动和噪声。
在永磁电机结构中,影响齿槽转矩大小的有多种因素,本文利用田口法对一台永磁电机的槽口宽、齿靴高度、充磁方式、极弧系数、永磁体厚度进行优化,得出一组减小齿槽转矩的优化方案。
结果表明,通过田口法优化得到的电机结构方案与原方案相比,显著削弱了齿槽转矩。
关键词:齿槽转矩;田口法;永磁电机Optimization of the S tructure to Reduce the Cogging Torque in PM MotorsXia J iaku anY u BingHua ng W ei(Electric Engineerin g School o f Shenyang University of Techno lo gy,Shenyang 110178)Ab str actPermanent magnet motors are exten siv ely used in high performance applications.Howev er,the interaction between the permanent magnet and slotted armatu re lamination produ ces cogging,wh ich may cause nosie an d vibration.In the moto r structure,it has many parameters to affect the size of the co gging torque of PM Motors.Tag uchi method to optimize a p ermanent magnet motor's slot open 、height of tooth shoe 、magnetizing mod e 、pole arc coefficient and perman ent magnet thickness is used in this paper.With this method,it comes to a group of small cogging torque optimization program.The resu lts show that,this method can significantly reduce co gging torque.Key words :cogging torque ;taguchi method ;permanent magnet motors1引言随着永磁体性能的发展,永磁电机得到了越来越广泛的应用。
一种削弱永磁同步电动机齿槽转矩的方法
永磁同步电动机具有良好的动态性能,使得其应用越来越广泛,但是,如果转矩太大
的时候,需要采取相应的措施来降低其转矩,以此达到降低齿槽损伤的目的。
下面介绍一
种削弱永磁同步电动机齿槽转矩的方法,即通过增加主电流降低励磁绕组中通电磁铁的磁
滞回性。
首先,通过结构调整,可以使永磁同步电动机齿槽处的转矩降低。
有的时候,为了保
证电机的稳定性,会在齿槽转矩的位置设置制动装置或作功率控制。
其次,可以通过增加
主电流,化解同步电动机的励磁绕组中通电磁铁的磁滞回性。
磁滞回性是指电机在输入低
频工作状态下主电流缺相时,磁铁内部磁通趋于稳定。
一旦磁通稳定,电机会产生较大的
驱动力,使得齿槽转矩变大,导致电机性能变差而发生损伤。
因此,可以在励磁绕组中增
加主电流,分散内部磁铁的磁通,从而改善电机的稳定性,减少齿槽转矩,避免出现可怕
的转矩突增。
最后,可以使用智能控制系统来改善永磁同步电动机的性能,更好地控制其齿槽转矩。
如果使用智能控制系统,可以精准的控制电机的转矩,更好的控制电机的转矩,从而实现
对永磁同步电动机最优性能的追求,并有效减小齿槽转矩。
以上就是削弱永磁同步电动机齿槽转矩的方法,可以有效减少电机受损的风险,达到
良好的控制效果。
应用这种方法,可以提高电机的使用寿命,优化电机的结构参数,便于
控制电机的性能。
齿槽转矩形成的原因、对电机性能的影响和不同削弱方法的对比分析一、齿槽转矩形成的原因及影响齿槽转矩Cogging torque,是永磁电机的固有现象,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产生的转矩。
它的产生来自于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[1]。
无刷直流电动机电枢铁心为了安放定子绕组必定存在齿和槽,由于齿槽的存在,引起气隙的不均匀,一个齿距内的磁通相对集中于齿部,使得气隙磁导不是常数。
当转子旋转时,气隙磁场的贮能就发生变化,产生齿槽转矩,这个转矩是不变的,它与转子位置有关,因而随着转子位置发生变化,就引起转矩脉动[2]。
它与转子的结构尺寸、定子齿槽的结构、气隙的大小、磁极的形状和磁场分布等有关,而与绕组如何放置在槽中和各相绕组中馈入多少电流等因素无关。
齿槽转矩会使电机转矩波动,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。
同时使电机产生不希望的振动和噪声。
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。
二、不同削弱方法及对比分析(1)斜槽或斜极: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[3]。
实践证明,斜槽使电机电磁转矩各次谐波的幅值均有所减小。
而斜槽或斜极引起的绕组反电动势的币弦化将会增大电磁转矩纹波。
斜极由于加工复杂、材料成本高而在工程上很少采用。
(2)磁极分块移位:由于转子斜极会使成本大大增加,并且加工工艺也会变得复杂,因而应用中往往采用磁极分块移位法,由通过计算得到磁极极弧系数,然后再把它优化,最后把几段分块磁钢沿周向错开一定角度安放来近似等效成一个连续的磁极[4],通常有两种移位方法:连续移位和交差移位,前者消除的是磁钢分块数目整数倍以外的所有齿槽转矩谐波成分,后者只能消除齿槽转矩的奇数次谐波,对偶数次谐波没有影响。
一种降低永磁电机转矩脉动的方法杨国龙【摘要】为降低永磁电机的转矩脉动,本文提出优化磁钢参数和转子分段斜极的组合方法.首先简要介绍了ANSYS软件的优化分析功能,通过改变磁钢极弧系数和厚度来优化永磁电机的转矩脉动,然后基于能量法和傅立叶分解法推导了转子分段斜极的齿槽转矩表达式和最佳斜极角度,利用Zigzag型转子斜极来削弱齿槽转矩,进一步降低转矩脉动,最后提供了一种便于Zigzag型转子斜极的结构方案.本文为转子分段斜极提供了理论基础,为永磁电机转子优化提供了简便方法.【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】6页(P21-26)【关键词】转矩脉动;齿槽转矩;分段斜极;优化分析【作者】杨国龙【作者单位】广东海洋大学寸金学院,广东湛江 524000【正文语种】中文【中图分类】TM351随着国民经济和国防建设的高速发展,人们对永磁电机的控制精度和平稳性要求越来越高。
电机输出转矩不平稳将会影响系统控制的精度,造成螺丝松动、进一步加剧电机的机械和电磁噪声。
减小永磁电机的振动和噪声,降低输出转矩脉动是一个亟待解决的问题。
转矩脉动主要来源于永磁电机本体设计制造和控制器两个方面,本文通过削弱电机本体的齿槽转矩和永磁谐波转矩来降低输出转矩脉动[1]。
文献[2]~[3]基于能量法推导了表贴式永磁电机齿槽转矩的表达式,总结了三类齿槽转矩削弱方法:定子槽优化、转子磁极优化和改变槽极配合。
除此之外,文献[4]~[7]研究与分析了磁极分段技术对齿槽转矩和谐波磁场的影响。
文献[8]研究分析了电机定、转子谐波磁场的组成,提出了一种低谐波含量绕组。
文献[9]推导了内置式永磁电机磁极不对称时的齿槽转矩表达式,通过全局优化算法和有限元优化得到最佳不对称角度。
文献[10]研究了分段斜极角度与分段数量的关系,并提出一种分段斜极的结构方案。
文献[11]结合转子分段斜极技术和遗传算法有效削弱了齿槽转矩。
文献[12]通过优化转子分段斜极角度和转矩电流角,同时削弱了电机重载和轻载时的转矩脉动。
永磁直驱风力发电机齿槽转矩削弱方法应用发表时间:2020-11-10T08:28:03.987Z 来源:《中国科技人才》2020年第20期作者:李泽鹏[导读] 本文针对齿槽转矩的削弱方法进行了分析,并通过傅里叶级数的利用获得了齿槽转矩的表达式,并将5MW额定功率的直驱永磁风力电机作为相应的研究模型,针对发电机的电机极弧系数的选择与磁极偏移组合的应用进行了研究。
李泽鹏中车永济电机有限公司山西永济 044500摘要:本文针对齿槽转矩的削弱方法进行了分析,并通过傅里叶级数的利用获得了齿槽转矩的表达式,并将5MW额定功率的直驱永磁风力电机作为相应的研究模型,针对发电机的电机极弧系数的选择与磁极偏移组合的应用进行了研究。
关键词:永磁直驱风力发电机;齿槽转矩;削弱方法;应用引言:风能属于一种清洁型的可再生能源,由于其具有极大的发展潜力,使得世界各国都对其加大了重视程度。
在当前阶段的主流发电系统当中,直驱永磁风力发电系统是其中重要的系统之一。
永磁电机在实际使用中,具有众多优势,比如结构简单、运行可靠、效率高等,使其在齿槽转矩方面的特点对于直驱永磁风电系统在性能方面产生直接影响。
1.永磁直驱风力发电机齿槽转矩削弱的原理分析1.1永磁直驱风力发电中能量法齿槽转矩的计算原理齿槽转矩是永磁电机中的定转子实现相对运动的关键,促使电机能够对磁场变化予以存储,可将其定义成为电机电枢绕组处于不通电状态时的转矩。
这个时候电机磁场的能量可以通过下式进行表示:通过对与[hm(θ)/(hm(θ)+δ(θ,α))]2实施傅立叶分解与变形之后,可以获得:Tcog(α)=(-)nGnBrsin(nQα)⑸其中LFe在其中代表的是轴向电枢铁心的具体长度,R1在其中代表的是转子的外半径,而Q则代表的是电枢槽数,p在其中代表的是极对数,n在其中是一个整数,进而使得nQ/2p也是一个整数。
式中的TpQi则代表的是单个永磁体所对应的齿槽转矩过程中的傅里叶系数,而α+φj则代表的是第j个永磁体与定子齿之间的相对位置较,当j=1,φ1=0的时候,两者之间的相对位置角则为α。
永磁同步电机齿槽转矩分析及削弱措施作者:贺建忠来源:《科技创新与应用》2017年第03期摘要:永磁同步电机由于槽定子铁芯和永磁体之间相互作用会出现齿槽转矩,会产生非常大的噪音和振动,而且会对系统的控制精度造成影响,需要对永磁同步电机齿槽转矩进行分析。
文章首先对永磁同步电机齿槽转矩的原因进行了分析,然后对辅助齿高度和辅助齿宽度对齿槽转矩造成的影响进行了分析,并进行了验证。
关键词:永磁同步;齿槽转矩;削弱措施永磁电机的齿槽矩是转子永久磁体和铁芯齿槽相互作用下产生的磁阻转矩。
主要是因为定子齿槽和永磁转子磁极处于不同位置时,主磁路磁导会产生变化,即便是在电动绕组不通电的情况下,受齿槽转矩的影响,电机转子依然有停在圆周若干位置的趋势。
当电动机发生旋转时,齿槽转矩会表现为附加的脉动转矩虽然不会减少或者增加电动机的平均转矩,但是会引起噪音、电机振动、速度波动等,对电机定位的伺服性能和精度造成了比较大的影响,特别是在低速时产生的影响更大,为了提高电机运行的稳定性,需要解决齿槽转矩问题。
1 齿槽转矩出现的原理齿槽转矩主要是因为自身的物力结构产生的,永磁电机在实际运行过程中,齿槽矩会导致电机输出转矩产生脉动,并引起噪音和振动。
在实际运行过程中,当永磁磁极中心线和定子槽的中心线相互重叠,那么磁通在定子齿两侧产生的引力会互相抵消,这时齿槽转矩值为0。
而当永磁体逆时针旋转时,切向分力无法完全抵消掉,会产生一个齿槽转矩值。
定子齿和永磁磁极之间四种相对位置如图2所示。
在处于图1(a)的位置时,永磁体会和定子齿中心对齐,在转子齿侧面会产生相同的磁感应强度,并且受到的引起切向分量也一致,方向相反,会相互抵消掉。
将转子逆时针转动时如(b)所示,此时转子齿中心线会超前于磁极中心线,转子齿右半部分的磁场强度会高于转子齿左半部分的磁场强度,受到的引力切向量也不为零,受力方向和转子转动方向相反,表现为负值。
当定子磁极中心线和转子齿中心线之间的夹角变大时,会使和该齿临近齿的左半部分的磁感应强度变大,如(c)所示。
减小齿槽转矩的永磁电机结构优化设计
随着全球环境污染的严重不断加剧,社会对电动汽车研发的要求也越来越高,因此对
永磁电机的研发和利用就变得尤为重要。
永磁电机具有质量轻、使用寿命长、可靠性高、
结构简单等特点,广泛用于汽车、新能源汽轮机车等领域。
电机转矩的大小与齿槽形式有很大的关系,过大的齿槽会导致电机的热失效时间变短,而过小的齿槽会导致电机发挥不到最大的功率和效率,甚至会引发转矩抖动。
因此,解决
齿槽形式影响电机效率最大化及转矩抖动等问题,成为永磁电机结构优化研发的主要方向。
为降低齿槽对电机功率及效率的影响,引入一种新的齿槽技术——双面凸轮压力齿槽
技术,该技术可将齿槽转动节距减小至最小,有效抵抗电机热失效,使电机能够发挥最大
的功率、效率及转矩稳定性。
同时,为解决永磁电机结构优化中的设计悬而未决的问题,
采用统计分析与数值模拟相结合的方法,建立了电机磁路结构对转矩性能影响的数学模型,经过永磁体能量密度最优化,从而有效改善永磁电机的功率和效率,减小转矩抖动,是一
种切实可行的优化技术。
总的来说,以上方法的应用可以有效减小齿槽转矩对永磁电机性能的影响,进而提高
电机的功率、效率及转矩稳定性,为电动汽车等新能源车辆节能减排提供有力保障。
尽
管如此,随着永磁电机技术的不断发展,还有许多技术领域值得深入研究。
专利名称:表贴式永磁电机齿槽转矩的削弱及分析方法专利类型:发明专利
发明人:赵文祥,周敏,胡敬宁
申请号:CN201910882346.1
申请日:20190918
公开号:CN110750841A
公开日:
20200204
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明公开了一种表贴式永磁电机齿槽转矩的削弱及分析方法。
属于永磁同步电机技术领域,首先采用磁极偏心的方法来减小齿槽转矩并对磁极偏心距进行优化,选取最优的偏心距使得齿槽转矩最小化。
此方法是通过改变磁极形状来削弱齿槽转矩,为了进一步研究磁极形状的改变对齿槽转矩的影响,再根据麦克斯伟张量法利用Maxwell软件仿真得到径向气隙磁密和切向气隙磁密分量代入到齿槽转矩中。
最后利用有限元和解析相结合的方法,可以计算出在一个电周期的任何时刻各阶气隙磁密谐波对齿槽转矩的贡献。
本发明通过各个阶次下的齿槽转矩波形,来分析不同磁极形状下齿槽转矩的变化。
申请人:江苏大学
地址:212013 江苏省镇江市京口区学府路301号
国籍:CN
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一种确定永磁同步电动机最佳极弧系数组合的方法谭耿锐;方超;黄信;杜晓彬【摘要】为削弱永磁同步电动机的齿槽转矩,提出一种不同极弧系数组合的方法.根据齿槽转矩表达式定性分析了极弧系数对齿槽转矩的影响,以48槽8极表贴式调速永磁同步电动机为例,建立Maxwell 2D模型,给出优化极弧系数和调整极弧系数组合的方法,利用有限元法对不等极弧系数组合进行建模分析.结果表明,合适的选择极弧系数进行组合可明显地削弱齿槽转矩.为调速永磁同步电动机的优化提供一定的参考.【期刊名称】《防爆电机》【年(卷),期】2017(052)001【总页数】4页(P14-16,35)【关键词】极弧系数;有限元法;齿槽转矩【作者】谭耿锐;方超;黄信;杜晓彬【作者单位】广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TM351调速永磁同步电动机结构简单、效率高、体积小等优点,已在各领域得到了广泛的使用,现在国内外集中对转子结构的研究来进行调速永磁同步电动机的设计与优化[1]。
在永磁电机中定子齿槽与转子永磁体产生的齿槽力矩产生谐波,降低电机性能[2]。
在大功率电动机受到其影响更大。
所以,研究优化齿槽转矩在大功率性能高的永磁同步电动机设计中显得格外重要。
其中,齿顶开槽和辅助槽偏移进行的研究,找出了最佳辅助槽尺寸和偏移角度进行优化[3]。
基于磁极偏移削弱电动机齿槽转矩的探讨,研究了磁极角度最佳偏移的一种计算方法[4]。
这些研究方法理论上能很好地使齿槽转矩减弱,但其实际应用较复杂,所以在实际工程中较少采用。
本文通过使用有限元软件ANSYS 2D模块,进行参数变量的方法确定削弱齿槽转矩永磁体最佳不相同极弧系数的组合。
采用一款电动汽车用调速永磁同步电动机的主要参数,采用基于有限元计算的参数变量的方法进行分析,利用所得最佳不同极弧系数组合和其他电动机参数,经测试并检测其各项性能,均达到要求。
一种削弱表面-内置式永磁电机齿槽转矩方法黄晓寸;王冲;高起兴;井立兵【期刊名称】《微特电机》【年(卷),期】2018(046)002【摘要】为了削弱表面-内置永磁同步电动机的齿槽转矩,设计了一种新型槽口偏移方案.分析了永磁电机齿槽转矩表达式,验证了该电机总齿槽转矩为各槽产生齿槽转矩的叠加.以此为原理,将定子铁心的槽进行分组,每组槽口偏移适当角度可以抵消电机齿槽转矩某次谐波,并计算出了槽口偏移最优偏移角.有限元仿真验证表明,该方法可以有效削弱表面-内置永磁同步电动机的齿槽转矩,且电机其他性能不受影响.%A novel solution for reducing the cogging torque of surface-mounted and interior hybrid permanent magnet synchronous motors (SIHPMSM) was discussed.The cogging torque expression of permanent magnet synchronous motor (PMSM) was analyzed,it was verified that the total cogging torque of the motor was the superposition of the cogging torque generated in each slot.On the basis of this principle,the slot of stator core was divided into groups,and each slot was shif-ted in an appropriate angle to cancel the harmonic of the cogging torque.Finally,the optimal offset angle of the slot offset was calculated.The finite element analysis (FEA) results show that this method can effectively weaken the cogging torque of SIHPMSM,and the other performances of the motor are not affected.【总页数】4页(P53-55,60)【作者】黄晓寸;王冲;高起兴;井立兵【作者单位】沧州师范学院,沧州061001;燕山大学,秦皇岛066004;三峡大学,宜昌443002;三峡大学,宜昌443002【正文语种】中文【中图分类】TM351【相关文献】1.不等宽永磁体削弱表面永磁电机齿槽转矩方法 [J], 王道涵;王秀和;张冉;丁婷婷2.表面式永磁电机齿槽转矩物理学解读及削弱方法 [J], 沈风顺;任雷;刘晋平3.一种削弱双转子永磁电机齿槽转矩方法 [J], 高起兴;井立兵4.一种削弱内置式永磁电动机齿槽转矩的新方法 [J], 王晨;曹光华;陈栋5.一种基于磁极偏移的永磁电机齿槽转矩最优削弱方法 [J], 郭仁;黄守道;高剑因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
一种基于磁极偏移的永磁电机齿槽转矩最优削弱方法
2011年5月13日
(湖南大学.湖南长沙410082)
摘要:研究了永磁电机磁极偏移对齿槽转矩的影响。
推导了磁极偏移后齿槽转矩的表达式,得出了减小齿槽转矩的有效途径。
给出了磁极偏移角度的计算方法,提出了一种寻找削弱齿槽转矩的最优偏移角度的方法:有限元分析与验证的结果表明:最优磁极偏移角度对齿槽转矩各次谐波都有较好的削弱效果。
关键词:永磁电机;齿槽转矩;磁极偏移
0引言
与传统电励磁电机相比,永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、高效节能等优点,随着永磁材料性能的不断发展和完善,永磁电机在很多领域得到了越来越广泛的应用。
齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时水磁体和铁心之间相互作用产生的转矩,是由永磁体与电枢齿问相互作用力的切向分量的波动引起的。
在永磁电机的运行中,齿槽转矩会引起输出转矩的脉动和噪声,特别对电机低速运行影响较大。
同时,齿槽转矩也是影响系统控制精度的重要冈素。
削弱电机齿槽转矩已成为永磁电机研究的重要课题。
磁极偏移方法目前已成为削弱永磁电机齿槽转矩的重要方法。
文献[1-4]研究r磁极偏移对齿槽转矩的影响。
文献[1—3 ]将所有磁极的位置都改变以减小齿槽转矩,并用解析法确定了永磁体偏移的角度,但该方法对每极槽数为分数的电机削弱效果不好。
文献[4]中的磁极偏移方法立足于消去磁极偏移后的的低次谐波,取得的削弱效果较好。
但文献[4]中提出的磁极偏移角度的计算方法求得的解并不唯,这就存在寻找削弱齿槽转矩的最优偏移角度的问题。
本文首先推导了磁极偏移后齿槽转矩表达式,对齿槽转矩表达式进行了研究。
本文分别给出了每极槽数为整数和不为整数时的磁极偏移角度的计算方法。
本文以4极 18槽和4极30槽的电机为例,深入研究每极槽数不为整数时的磁极偏
移方法,在消去齿槽转矩的低次谐波的前提下提出了一种寻找削弱剩余谐波的综合效果最优的偏移角度的方法。
最后采用有限元分析与验证,结果表明:提出的磁极偏移角度的最优解是存在的,该组偏移角度对齿槽转矩各次谐波都有较好的削弱效果。
1磁极偏移后的齿槽转矩能量计算法
能量方法是齿槽转矩计算中最常用的解析方法。
齿槽转矩定义为电机不通电时的磁场能量W对转子旋转角α的负导数,即:
假设电枢铁心的磁导率无穷大,不考虑饱和时,和空气中的磁场能量变化相比,铁心中的磁场能量变化可以忽略不计,电机内储存的磁场能量近似为电机气隙和永磁体中的磁场能量。
因此电机内储存的磁场能量可表示为:
的中心线之间的央角。
θ=O位置设定在该磁极的中心线上,B(θ)和g(θ,α)分别为永磁体剩磁和有效气隙长度沿圆周方向的分布,hm(θ)为永磁体充磁方向沿圆周方向长度.
式中:GCD(z,2p)为极数和槽数的最大公约数。
由式(6)、式(7)我们可以发现,Branz和Brbnz的各次谐波的幅值与n有关,要削弱齿槽转矩可以从削弱Branz和Brbnz的幅值人手。
随着 n的增加,Branz 和Brbnz各次谐波的幅值随之下降。
因此,减小齿槽转矩应该立足于减小齿槽转矩的低次谐波。
针对每极槽数不为整数的电机,本文采用在消去齿槽转矩的低次谐波的前提下削弱剩余谐波的综合效果最优的方法来减少齿槽转矩。
当Np=1时(即每极槽数为整数),采用文献[1—3]中磁极偏移方法移极后不会引入新的齿槽转矩的谐波,能较好地削弱齿槽转矩的谐波。
当Np>1时(即每极槽数不为整数),采用文献[1一3]中磁极偏移方法移极后会引入新的齿槽转矩的谐波(n不为Np倍数时的谐波)。
磁极偏移后的低次谐波幅值较大,是不能忽视的。
文献[4]中的磁极偏移方法立足于消去磁极偏移后的低次谐波,取得的削弱效果较好:但也存在一个可以进一步研究的问题,文献[4]中提出的磁极偏移角度的计算方法.最少要求解一个4个变量4个方程的方程组,方程组的解并不唯一,电机极数越多,方程组变量也越多,方程组的解的个数也越多,这就存在一个最优解的问题。
本文的研究目标是在消去齿槽转矩的低次谐波的前提r寻找到削弱剩余谐波的综合效果最优的解。
2磁极偏移角度θk的求解方法当Np=_1时(即每极槽数为整数),可以根据文献[1-3]提出的公式求磁极偏移角度:
减少磁极相对位置相同和三角函数周期性导致的作用效果相同的解,从而减少式(11)解的个数。
这样式(11)就转化为r含(2p一1)个变量 2p个方程的方程组。
当p≥4时,齿槽转矩的n=1,2,3,4,…,p次谐波都为零,齿槽转矩已经可以得到很好的削弱,加之此时方程组的解太多,要寻找到最优解,比较困难。
因此,本文只讨论p≤3且Np>1的电机。
下面具体求解Np=2的4极电机(p=2),此时式(11)可整理为:
我们可以用这5组解进行有限元仿真,得到在消去齿槽转矩的n=1、2次谐波的前提下削弱剩余谐波的综合效果最优的解。
若为Np=2或Np=3的6极电机(p=3),我们同样可以通过求解式(11)并舍去磁极相对位置重复的解,然后对剩余解进行有限元仿真,得到在消去齿槽转矩的n=1、2、3次谐波的前提下削弱剩余谐波的综合效果最优的解。
3有限元分析与验证
有限元数值分析方法对不规则边界问题的处理非常方便,而且计算精度高,在电机设计领域得到广泛应用。
本文采用有限元法列前文提出的设想进行了分析和验证。
分析对象分别为4极18槽和4极30槽的样机。
将z=1 8代入表1中可以得到表2中的5组磁极偏移角度。
4极18槽样机分别采用表2中5组磁极偏移角度得到的齿槽转矩如图2所示。
通过比较齿槽转矩的幅值,我们可以发现标号为4的曲线幅值最小。
因此,表2中第4组磁极偏移角度为在消去齿槽转矩的n=1、2次谐波的前提下削弱剩余谐波的综合效果最优的解。
在图3中我们可以看到最优解对原齿槽转矩的削弱效果很明显。
将z=30代入表l中可以得到表2中的5组磁极偏移角度。
4极30槽样机分别采用表3中5组磁极偏移角度,得到的齿槽转矩如图4所示。
通过比较齿槽转矩的幅值,我们可以发现标号为4的曲线幅值最小。
因此,表3中第4组磁极偏移角度为在消去齿槽转矩的n=l、2次谐波的前提下削弱剩余谐波的综合效果最优的解。
在图5中我们可以看到最优解对原齿槽转矩的削弱效果很明显。
虽然两个4极样机的最优解都是第4组解,他们对应的zθk是相同的,但我们在图5、图6中还可以发现对应zθk相同的解对两个4极样机齿槽转矩的削弱效果不一定相同。
旭相同只能保证式(6)、式(7)中求和部分是相同的,但式(6)、式(7)的值还与槽数和极弧系数有关。
因此,对不同电机的移极最优解问题,我们要具体问题具体分析。
当p=2或3时,式(11)的解经过处理后是有限的,尤其当p=2且/Np=2时,式(12)只有5组解,我们可以经过有限元分析很快得出在消去齿槽转矩的低次谐波的前提下削弱剩余谐波的综合效果最优的解。
4结语
本文研究了永磁电机磁极偏移对齿槽转矩的影响。
当每极槽数不为整数时,磁极偏移可能会引入新的谐波。
采用磁极偏移可以有针对性地消去齿槽转矩的低次谐波,但消去低次谐波的磁极偏移角度的解不是唯一的。
这些解中存在消去齿槽转矩的低次谐波的前提下削弱剩余谐波的综合效果最优的解。
本文给出了各种情况下磁极偏移角度的计算方了直接转矩控制系统的控制性能,大大改善了系统的低速性能。