永磁电机 齿槽转矩 磁阻转矩 定位转矩

PE电力电子

定子齿表面开槽对永磁无刷直流

电机齿槽转矩的影响

张颖‘，2林明耀2

(1.江苏食品职业技术学院，江苏淮安22301;2.东南大学，南京21096)

摘要齿槽转矩是由永磁体磁场与磁槽之间相互作用而产生的，它会引起转矩脉动，甚至可能发生与电机共振的现象。影响齿槽转矩的因素很多，如磁极、槽的数量，齿槽形状以及磁钢的

极弧系数等，因此，准确计算齿槽转矩较为复杂。本文利用麦克斯韦张量法计算和分析定子表面

开槽对齿槽转矩的影响，为永磁无刷直流电机设计提供理论参考。

关键词:齿槽转矩;麦克斯韦张量;永磁无刷直流电机

1nfluenceofSIottingontheTeethontheCoggingTOrqueof

PermanentMagneticBrushlessDCMotor

肋ang竹ngl，2乙in材in舒aoZ

(1.JiangsuFoodscienceCollege，Huaian，Jiangsu2230()l;2.SoutheastUniversity，JiangsuZ10096)

AbstractCoggingtorqueisProducedbytheinteractionofpermanentmagnetandthetooth一slot.1，llmakethetorquePulsating，andevenProduceresonancewithelectricmotor.It，smorecomPlicatedtocalculatethecoggingtorquePrecisely，becauseit，srelatedtomanyeffects，suchasthenumberofPolesandtooth，Poles一arccoefficient，kindsofslotandsoon.InthisPaPer，theeffectsofslottingonthestatorteethonthecoggingtofquoofPermanentmagnetbrushlessDCmotorisinvesti宫atedbyusingtheMaxwellstressmethod，andthisisusefulforthemachinedesign.Keywords:coggingtorque;Maxwellstressmethod;PMBLDCmotor

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。

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：Nco=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°／Nco

5.齿槽转矩基波频率为： fc=Ncons=Ncofp

ns=fp(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：

Tco=∑Tn∞n=1sin(nNcoθ+ϕn)

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，Tec=dWcdθ，式中，磁共能：

Wc=∫Bθ22μ0d(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：

Tec=LLgμ0∫rBnSgBtds， L为有效转子长度；Lg为气隙长度；μ0为自由空间磁导率；r为虚拟半径；Bn和Bt为气间隙磁通的径向和切向分量；Sg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。

齿槽效应和定位扭矩是永磁同步电机（PMSM）设计中常见的问题。

齿槽效应是指由于定子齿和槽的结构造成气隙磁场的局部不均匀性，进而引起转矩波动的现象。在电机运行过程中，定子齿部集中了较多的磁通量，而槽部磁通量较少，这种不连续性导致了齿槽转矩的产生。这种转矩与转子位置有关，会导致电机运转时出现不规则的振动和噪声，影响电机的平滑运行和控制精度。

定位扭矩，又称为齿槽转矩或定向转矩，是在电机绕组不通电的情况下，由永磁体的磁场和定子齿槽之间的相互作用产生的。这种转矩使得电机转子倾向于在特定位置停留，即在磁阻最小的位置。当电机启动或运行在低速时，定位扭矩尤为显著，表现为转子在不同位置遇到的阻力不同，造成转矩波动。

为了减小齿槽效应对电机性能的影响，通常采用以下几种策略：

1. 设计优化：通过调整定子和转子的几何形状，比如使用非圆形截面或斜槽设计，以减少气隙磁场的非均匀性。

2. 控制策略：使用先进的电机控制算法，如矢量控制或直接转矩控制，来补偿齿槽转矩引起的波动，实现更加平稳的电机运行。

3. 传感器融合：在电机控制系统中集成位置传感器，实时监测转子位置，以便更精确地补偿齿槽转矩。

4. 磁性材料选择：选用高磁导率材料制作定子，以减少磁阻的不均匀性。

通过上述措施，可以在一定程度上减轻齿槽效应对永磁同步电机性能的负面影响，提高电机的运行品质和效率。