内置式永磁同步电机齿槽转矩优化分析

永磁同步电机极弧参数对齿槽转矩的影响一、引言永磁同步电机是一种高效、可靠且具有优异性能的电机，广泛应用于各个领域。

齿槽转矩是永磁同步电机的一个重要参数，它直接影响电机的输出转矩和性能。

本文将探讨永磁同步电机极弧参数对齿槽转矩的影响。

二、永磁同步电机的工作原理永磁同步电机是一种将电能转化为机械能的设备。

它的工作原理基于电磁感应和磁场相互作用的原理。

电机的转子上装有永磁体，通过与定子上的电流产生的磁场相互作用，实现电能到机械能的转换。

三、齿槽转矩的定义和计算方法齿槽转矩是永磁同步电机的一个重要参数，它表示电机在运行过程中的输出转矩大小。

齿槽转矩可以通过以下公式计算得到：T齿槽转矩=K齿槽转矩⋅B极弧⋅I d其中，K齿槽转矩是齿槽转矩系数，B极弧是极弧磁场强度，I d是直轴电流。

四、极弧参数对齿槽转矩的影响4.1 极弧磁场强度的影响极弧磁场强度是永磁同步电机中的一个重要参数，它直接影响齿槽转矩的大小。

当极弧磁场强度增加时，齿槽转矩也会相应增加。

这是因为极弧磁场强度的增加会增加转子上的磁场与定子磁场的相互作用，从而增大输出转矩。

4.2 直轴电流的影响直轴电流是永磁同步电机中的另一个重要参数，它对齿槽转矩也有一定的影响。

当直轴电流增加时，齿槽转矩会增加。

这是因为直轴电流的增加会增加定子磁场的强度，从而增大与转子磁场的相互作用，进而增大输出转矩。

五、影响齿槽转矩的其他因素除了极弧参数外，还有其他因素也会对齿槽转矩产生影响，包括但不限于： 1. 永磁体磁性能：永磁体的磁性能会直接影响齿槽转矩的大小，磁性能越好，齿槽转矩越大。

2. 转子结构：转子的结构对齿槽转矩有一定的影响，合理设计转子结构可以提高齿槽转矩。

3. 定子绕组：定子绕组的设计和布局也会对齿槽转矩产生一定的影响，合理的定子绕组设计可以提高齿槽转矩。

六、结论永磁同步电机的极弧参数对齿槽转矩有着重要的影响。

极弧磁场强度的增加和直轴电流的增加都会使齿槽转矩增加。

内置式永磁同步电机齿槽转矩优化分析任德江;黄渠;李建军;武宁【摘要】内置式永磁同步电机齿槽转矩会产生振动和噪声,同时也是设计和研究永磁同步电机必须考虑的关键问题.基于此,本文研究了W型内置式永磁同步电机齿槽转矩的产生机理,并针对性提出两种能有效降低齿槽转矩的方法.以4极36槽的内置式稀土永磁同步电机为例,采用有限元分析方法验证本文所提方法的正确性,并对比分析齿槽转矩优化前后的电机效率和功率因素.实验结果表明,在保证电机的效率和功率因素同时,改变内置式永磁同步电机的槽配合及永磁体宽度可以有效减小齿槽转矩,达到削弱永磁电机产生振动和噪声的目的.【期刊名称】《防爆电机》【年(卷),期】2019(054)004【总页数】5页(P4-7,43)【关键词】内置式永磁同步电机;齿槽转矩;有限元分析;能量法;麦克斯韦张量应力法【作者】任德江;黄渠;李建军;武宁【作者单位】广东理工大学自动化学院,广东广州510006;广东理工大学自动化学院,广东广州510006;广东理工大学自动化学院,广东广州510006;广东理工大学自动化学院,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TM303.30 引言稀土永磁体具有较好的导磁性能，利用它产生气隙磁场的永磁同步电机具有高效节能、功率因素高和可靠性高等优点。

然而，这类电机存在一个固有的缺点，电机静止时由于转子上永磁体产生的磁场和定子的齿槽之间相互作用产生齿槽转矩(如未特殊说明，以下齿槽转矩的单位均为牛米)，齿槽转矩会使电机的输出转矩产生较大的脉动，进一步产生振动和噪声，极大影响电机工作性能。

因而在设计和研发永磁电机时，对齿槽转矩产生机理和解决方法的研究显得尤为必要。

现有降低齿槽转矩的方法[1]很多，大致可分为两类，一是改变常规设计参数，二是对电机的某些结构进行优化。

可以通过改变电机的极槽配合、定子槽开口宽度、极弧系数大小等常规设计参数以降低齿槽转矩；优化电机结构主要包含定子斜槽、斜转子磁极、极槽配合、优化磁极形状、优化磁钢磁化方向、转子磁极移动、不同槽口宽配合、定子齿辅助槽、优化极弧系数、定子槽不均匀设计方法、永磁体分块、定子齿辅助槽等方法。

永磁同步电机极槽组合优化的研究尚海窦满峰陈敏赵祥珺【摘要】摘要齿槽转矩是影响永磁同步伺服电机低速平稳性的主要原因。

本文先通过能量转换概念分析了永磁电机的转矩特性，进而分析和推导了齿槽转矩的解析表达式。

针对4极12槽、15槽、18槽的不同极槽组合进行分析，从理论上得出4极15槽这种极槽组合可明显削弱齿槽转矩。

在这种极槽组合的基础上，通过合理的绕组连接，可改变磁链中的谐波分量和幅值，有利于反电势波形更趋于正弦波。

最后采用有限元对其进行仿真验证，证明上述提出的方法正确有效。

【期刊名称】科学技术与工程【年(卷),期】2014(014)011【总页数】5【关键词】关键词齿槽转矩极槽组合反电势正弦波有限元随着工业技术的发展，永磁同步电机在伺服场合中的应用越来越广泛，但由于永磁体和定子齿相互作用产生齿槽转矩，反电势中含有大量谐波，导致波形畸变率高，这些因素则会引起振动和噪声。

这种由上述因素产生的转矩脉动会严重影响永磁同步伺服电机的低速平稳性，增加精确位置控制的控制难度［1］。

目前，用于削弱齿槽转矩和反电势谐波的有效方法有:定子槽扭斜、闭口槽、永磁体扭斜、改变转子极弧系数、不对称磁极等。

但是斜槽会增加电机的制造成本;极弧系数优化和不对称磁极以及永磁体扭斜会不同程度地降低电机输出性能［2—4］。

相对上述方法，极数和槽数的组合方法可适度回避以上问题。

因为电机是一个典型的能量转换装置，结合能量转换的概念，分析了永磁同步电机的有效转矩和齿槽转矩之间的关系，推导了可定性分析齿槽转矩的解析表达式。

据此研究了15槽4极这种不常见的极槽配合对齿槽转矩和反电势波形的影响。

研究表明，通过与12槽4极和18槽4极电机进行数学解析比较，15槽4极这种极槽配合可有效削弱齿槽转矩。

经过合理的绕组布线，可以改变磁链中的谐波分量和幅值，有利于使反电势back-EMF波形更接近正弦波。

最后利用有限元法进行仿真验证，证明所提出的方法是正确有效的。

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。

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 co5.齿槽转矩基波频率为： f c=N co n s=N co fpn s=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：T co=∑T n∞n=1sin(nN coθ+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，T ec=dW cdθ，式中，磁共能：W c=∫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：T ec=LL gμ0∫rB nS gB 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。

内置式V型永磁同步电机齿槽转矩优化【摘要】本文针对内置式V型永磁同步电机齿槽转矩优化展开研究。

在探讨了研究的背景、目的和意义。

接着，对内置式V型永磁同步电机齿槽设计进行了分析，研究了其转矩特性，并探究了优化方法。

通过仿真实验结果分析，评估了齿槽转矩优化的效果。

在结论部分总结了内置式V型永磁同步电机齿槽转矩优化的成果，探讨了研究的启示，并展望了未来的发展方向。

本研究为提高内置式V型永磁同步电机的性能和效率提供了重要参考，对于推动永磁同步电机技术的发展具有积极意义。

【关键词】内置式V型永磁同步电机、齿槽、转矩、优化、设计、特性分析、方法探究、仿真实验、效果评估、总结、研究启示、未来展望1. 引言1.1 研究背景内置式V型永磁同步电机在电动汽车和工业领域等应用中已经得到广泛应用。

其优点包括高效率、高功率密度、低噪音和低维护成本。

内置式V型永磁同步电机在运行过程中常常会出现齿槽转矩不稳定的问题，影响了电机的整体性能和稳定性。

目前，针对内置式V型永磁同步电机齿槽转矩不稳定的问题，已经有一些研究和方法进行探讨和优化。

现有的研究大多集中在理论分析和实验验证方面，而对于齿槽转矩优化的具体方法和效果评估还有待进一步研究和深入探讨。

本研究旨在通过深入分析内置式V型永磁同步电机的齿槽设计和转矩特性，探究适合该类型电机的优化方法，并通过仿真实验结果的分析来评估齿槽转矩优化的效果。

希望能够为提高内置式V型永磁同步电机的性能和稳定性提供一定的参考和指导。

1.2 研究目的研究目的是通过对内置式V型永磁同步电机齿槽转矩的优化，提高电机的运行效率和性能稳定性，进一步推动电动汽车等领域的发展。

通过优化齿槽设计，减小电机的功耗和磨损，延长电机的使用寿命，降低维护成本。

本研究旨在深入探讨内置式V型永磁同步电机齿槽转矩的优化方法，为相关领域的研究和实践提供理论支持和实用指导。

最终的目的是推动电机技术的发展，推动清洁能源的普及和应用，为构建绿色低碳的社会提供技术支持和保障。

永磁电机齿槽转矩研究作者：申爽来源：《科学与技术》 2018年第5期摘要：随着永磁材料性能和电气控制技术的发展,永磁电机在电梯行业的使用成为主流，然而永磁体与有槽定子铁心之间会产生齿槽转矩，因此齿槽转矩作为永磁电机特有的问题之一越来越被关注，因为齿槽转矩会引起电机振动，影响电梯的舒适度，传统的永磁同步电机定子齿槽使用一体式冲片叠装，新型的电机定子使用单个槽型进行拼接，采用此种设计一方面是为了使工艺可以简单化一点，另一方面也是为了提高电机的功率系数，但是拼接处会出现缝隙，影响到同步电机齿槽转矩的变化，因此为了寻找最优的拼接槽型，文章研究了定子拼接槽型对永磁同步电机齿槽转矩的影响。

关键词：永磁同步电机；齿槽转矩；拼接形状；有限元法1 前言随着市场的需求，永磁同步电机的功率被要求越来越高，一体式的电机结构目前应用最为广泛，这样的电机需要的原材料面积是很大，材料的利用率不是很高，因此产生不少边角料，导致制造的成本高，还有受定子绕组嵌线工艺的影响，必须设计合适的定子槽口尺寸，因此为了满足这些要求进行定子齿槽拼装永磁同步电机槽转矩的研究。

2 定子拼装结构拼装定子有两种结构，一种是有拼接槽的，拼接面向上并且向内还设置有拼接片，另一种也有拼接片不过是向外的。

冲片的图形比较固定就是工字扇环形。

多组定子叠片可以形成一个圆环形电机定子，首尾相连的两个接片是拼接槽和拼接片。

拼接槽的形状是多种多样的，拼接片也如此，因此定子冲片的形状也是多种多样的，需要根据不同的使用条件进行选择，定子冲片形状决定因素有应用场合，还有就是工艺水平。

不同的定子冲片形状决定着不同的加工难度，因此T 型冲片和梯形冲片因为加工难度系数比较低就常常被选用。

3 齿槽转矩表达式齿槽转矩是在电机不通电的情况下，铁芯和永磁铁之间相互作用产生的转矩，主要产生原因就是互相作用力的切向分量引起，齿槽转矩的表达式是一种角的负导数，这个角表示定转角的位置，磁场能量的表达式是在电机不通电的前提下根据齿槽定义的。

永磁电机齿槽转矩的研究分析永磁电机是一种应用广泛的电机类型，具有结构简单、效率高等优点，因此在各个领域得到了广泛的应用。

而齿槽转矩是永磁电机中的一个重要参数，对于电机的性能影响较大。

因此，研究和分析永磁电机齿槽转矩具有重要的理论和实践意义。

首先，齿槽转矩的定义是电机在运行中由于磁场的变化引起的力矩。

齿槽转矩的产生原因主要包括磁场的不对称性、磁场的泄漏和磁化饱和等因素。

对于永磁电机来说，由于永磁体的存在，磁场分布比较均匀，因此齿槽转矩相对较小。

但是，由于永磁体的存在，永磁电机的特性也有一定的不稳定性。

其次，齿槽转矩研究的方法主要包括实验研究和仿真模拟两种方法。

实验研究主要是通过在永磁电机上安装力/力矩传感器，测量电机在不同工况下的输出转矩，并进行分析和比较。

仿真模拟则是通过建立电机的数学模型，进行电磁场分析和转矩计算。

目前，仿真模拟方法越来越受到研究者的关注，因为它可以更加方便地对电机的结构和工况进行模拟和分析。

齿槽转矩的研究分析可以从以下几个方面展开：1.结构优化：通过优化永磁电机的结构参数，如磁圈的形状、尺寸和分布等，可以减小电机中的齿槽转矩。

例如，采用斜磁槽和插入矩形磁块等方法可以改善磁场分布，减小齿槽转矩的影响。

2.磁场分析：建立电机的电磁场分析模型，通过有限元分析等方法计算电机的磁场分布情况，并进一步分析齿槽转矩的产生原因和影响因素。

通过研究磁场的不均匀性和泄漏磁场的分布情况，可以更好地理解齿槽转矩的产生机制。

3.控制策略：齿槽转矩可以通过电机的控制策略进行抑制。

例如，通过改变电机的电流波形、调节电机的电流大小等方法可以减小齿槽转矩的影响。

因此，研究电机的控制策略对于抑制齿槽转矩具有重要意义。

4.结构材料：电机的结构材料也会对齿槽转矩产生影响。

例如，改变电机的铁芯材料、磁性材料的选择等可以改变电机的磁滞特性和磁场分布，从而减小齿槽转矩的影响。

总之，永磁电机齿槽转矩的研究分析对于电机的性能提升具有重要意义。

内置式V型永磁同步电机齿槽转矩优化【摘要】本文针对内置式V型永磁同步电机齿槽转矩优化进行研究。

首先介绍了背景和研究意义，随后详细探讨了内置式V型永磁同步电机齿槽转矩优化方法和齿槽设计优化。

接着对电机性能进行分析，并进行实验验证。

结果表明优化后的齿槽设计能显著提高电机性能。

最后对研究成果进行总结，展望未来研究方向。

本研究为内置式V型永磁同步电机的优化设计提供了重要参考，有望推动电机技术的进步和应用。

【关键词】内置式，V型永磁同步电机，齿槽，转矩，优化，设计，性能分析，实验验证，结果讨论，研究成果总结，未来展望。

1. 引言1.1 背景介绍在现代工业生产中，电机在各类机械设备中被广泛应用，其中V型永磁同步电机因其高效、节能、体积小等优点备受青睐。

而V型永磁同步电机的齿槽设计直接影响其性能表现，齿槽转矩优化则成为提高电机效率和性能的重要手段。

电机齿槽设计优化是提高电机效率和能力的关键因素之一。

优化设计可以使电机整体结构更合理，进而提高转矩密度、降低铁损和铜损，提高功率因素等。

通过齿槽转矩优化，可以有效提高V型永磁同步电机的性能和效率。

对于电机齿槽设计的研究和优化具有重要的意义。

本文旨在探讨内置式V型永磁同步电机齿槽转矩优化方法，通过对齿槽设计进行优化，从而提高电机性能。

通过对电机性能进行分析和实验验证，可以验证优化方法的有效性和可行性。

最终，通过对结果的讨论，总结出研究成果并展望未来的发展方向。

1.2 研究意义内置式V型永磁同步电机在电动车辆、风力发电、工业自动化等领域具有广泛的应用前景，其高效、节能、环保的特点备受关注。

而电机齿槽设计对其性能有着重要影响，特别是齿槽转矩的优化对提高电机的效率和性能具有至关重要的意义。

通过合理优化齿槽结构可以有效降低磁场泄漏、减小磁阻、提高转矩密度和功率密度，从而提高电机的输出性能。

研究内置式V型永磁同步电机齿槽转矩优化方法，对于提高电机效率、降低能耗、促进电动化和节能减排具有重要的现实意义和应用价值。

内置式V型永磁同步电机齿槽转矩优化
随着电动车市场的快速发展，电机技术的不断创新和突破已成为行业的重要趋势。

内
置式V型永磁同步电机作为电动车的重要部件，其性能和效率对整车的性能和续航能力有
着直接影响。

齿槽转矩作为永磁同步电机的重要参数，直接关系到电机的输出性能和效率。

对内置式V型永磁同步电机齿槽转矩的优化研究显得尤为重要。

内置式V型永磁同步电机采用了V型结构的转子和定子，能够提高电机的输出性能和
效率。

而齿槽转矩优化则是通过优化电机的磁场分布和磁路设计，进而提高电机的转矩密
度和输出性能。

本文将从磁场分布和磁路设计两个方面，对内置式V型永磁同步电机齿槽
转矩的优化进行详细阐述。

一、磁场分布
1. 磁场分布优化方法
为了实现内置式V型永磁同步电机齿槽转矩的优化，需要运用一系列的优化方法来改
善电机的磁场分布。

其中包括有限元分析、优化设计和磁路设计等方法。

通过有限元分析
可以对电机的磁场进行模拟和计算，进而找到磁场分布不均匀的地方。

然后，通过优化设
计方法可以对电机的结构和材料进行优化，进一步改善电机的磁场分布。

通过磁路设计可
以优化电机的磁路结构，提高电机的磁场均匀性和利用率。

二、磁路设计
1. 磁路设计原理
内置式V型永磁同步电机的磁路设计一般包括磁路结构优化、磁路材料选择和磁路参
数设计等内容。

通过合理设计电机的磁路结构，可以提高电机的磁场均匀性和利用率。

选
择合适的磁路材料和优化磁路参数，也能够提高电机的磁场强度和稳定性。

永磁同步电机定子槽形分类及其优缺点永磁同步电机定子槽形分类及其优缺点如下：1. 开放式槽形(Open Slot)优点：制造简单，成本较低。

散热性能较好。

缺点：齿槽转矩较大，影响电机性能。

绕组填充系数较低，影响电机效率。

Open SlotAdvantages:Simple to manufacture, lower cost.Good heat dissipation performance.Disadvantages:Large cogging torque, affecting motor performance. Lower winding fill factor, affecting motor efficiency.2. 半闭口槽形(Semi-Closed Slot)优点：齿槽转矩相对较小。

绕组固定较好，机械强度较高。

缺点：制造复杂度稍高。

散热性能略差于开放式槽形。

Semi-Closed SlotAdvantages:Relatively small cogging torque.Better winding fixation, higher mechanical strength.Disadvantages:Slightly higher manufacturing complexity.Slightly poorer heat dissipation performance compared to open slots.3. 闭口槽形(Closed Slot)优点：齿槽转矩最小，电机性能更稳定。

绕组固定最好，机械强度最高。

缺点：制造难度最大，成本最高。

散热性能最差。

Closed SlotAdvantages:Minimum cogging torque, more stable motor performance. Best winding fixation, highest mechanical strength.Disadvantages:Highest manufacturing difficulty and cost.Poorest heat dissipation performance.这些槽形分类在永磁同步电机设计中各有其适用场景，需根据具体的应用需求和性能指标进行选择。

D设计分析esign and analysis 2019年第47卷第1期 唐雅楠等 永磁同步电动机齿槽转矩优化设计仿真28　收稿日期:2018-07-26永磁同步电动机齿槽转矩优化设计仿真唐雅楠1,景会成1,赵　欣2,王志超2(1.华北理工大学,唐山063210;2.包头中科智能科技有限公司,包头014000)摘　要:分数槽集中绕组永磁同步电动机因产生齿槽转矩及大量的磁动势谐波,会影响电机的工作性能㊂在分析齿槽转矩及谐波产生原理的基础上,确定了齿槽转矩及磁动势谐波影响因素,对电机结构进行了综合优化设计㊂针对一款400W 永磁同步电动机,通过对绕组系数㊁齿槽转矩㊁力波振动和谐波损耗综合分析,设计了12槽10极双层并联绕组和不开槽定子结构;采用环形永磁体以优化气隙磁密;以体积㊁成本㊁性能为综合指标,设计了电机各部分尺寸㊂通过有限元分析法对电机静磁场特性㊁空载气隙磁密㊁齿槽转矩及空载反电动势进行了仿真分析㊂制造样机并进行了性能测试㊂仿真与测试结果表明,该电机设计合理,性能优良㊂关键词:永磁同步电动机;分数槽;槽极配合;气隙磁密;齿槽转矩;空载反电动势中图分类号:TM341;TM351 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2019)01-0028-05Optimization Design and Simulation of Cogging Torque ofPermanent Magnet Synchronous MotorTANG Ya⁃nan 1,JING Hui⁃cheng 1,ZHAO Xin 2,WANG Zhi⁃chao 2(1.North China University of Science and Technology,Tangshan 063210,China;2.Baotou Zhongke Intelligent Technology Co.,Ltd.,Baotou 014000,China)Abstract :Fractional-slot concentrated-winding permanent magnet synchronous motors may affect the performance ofthe motor due to cogging torque and a large number of harmonics of the magnetomotive force.Based on the analysis of the principle of cogging torque and harmonic generation,the cogging torque and the influence factors of harmonics of the mag⁃neto-motive force were determined,the motor structure was optimized and designed.For a 400W permanent magnet syn⁃chronous motor,a 12-slot 10pole double-layer shunt winding and a non-slotted stator structure were designed by analy⁃zing the winding coefficient,cogging torque,force wave vibration and harmonic loss.In order to optimize the air gap mag⁃netic density;volume,cost,performance as a comprehensive indicator,the design of the motor part size.The finite ele⁃ment analysis method was used to simulate the static magnetic field characteristics,no-load air gap flux density,cogging torque and no-load back electromotive force.Prototypes were built and tested for performance.Simulation and test resultsshow that the motor has a reasonable design and good performance.Key words :permanent magnet synchronous motor,fractional slot,slot /pole number combination,air gap magneticdensity,cogging torque,no-load back-EMF0　引　言分数槽绕组永磁同步电动机因为精度高㊁损耗小㊁效率高㊁稳定性能好㊁可自动绕线等优点,已逐步取代其它电机,广泛应用于国内外市场[1-5]㊂但是这款电机存在以下问题:(1)在电机的使用中,齿槽转矩对电机工作性能影响很大[6-9];(2)分数槽集中绕组可以一定程度上削弱低阶齿槽转矩[10],但是高阶齿槽转矩无法消除,同时也增加了电机的磁动势谐波[11]㊂针对以上问题,学者做了大量的研究㊂文献[12]提出设计特殊永磁体结构可以削弱齿槽转矩㊂文献[13]通过改变弧极系数来达到削弱齿槽转矩的目的㊂这些方法都在一定程度上削弱了齿槽转矩,但是同时造成电机结构复杂,制造工艺困难,其它性能随之减弱㊂文献[14]总结了齿槽转矩与电机槽/极配合的关系,指出获得最低齿槽转矩的槽/极配合q 的取值;文献[15]采用不等齿宽分数槽集中绕组来削弱电机谐波,但这些方法均是从单方面对电机进行改造,没有对其进行综合分析㊂本文在分数槽集中绕组永磁同步电动机结构的基础上,对电机齿槽转矩及磁动势谐波进行了分析㊂综合考虑绕组系数㊁齿槽转矩㊁力波振动㊁磁动势谐波损耗等因素,选择了最优的极/槽配合数,并对绕组进行设计㊂以不增加工艺难度为前提下,设计了特殊的定子槽形㊁永磁体形状㊁定转子内外径尺寸和气隙长度来削弱齿槽转矩㊂ 2019年第47卷第1期D设计分析esign and analysis 唐雅楠等 永磁同步电动机齿槽转矩优化设计仿真29　1　电机结构及原理1.1　电机结构如图1所示,永磁同步电动机主要由定子铁心㊁定子绕组㊁转子铁心㊁永磁体组成㊂当电机每极每相槽数q 为分数且绕组线圈的节距为1时,即为分数槽集中绕组㊂图1　电机结构图1.2　原理及分析永磁电机是以电磁场实现电能和机械能的转换,在运行时电机磁力线会从永磁环的外表面发出,经过气隙㊁定子轭㊁定子齿㊁定子轭㊁气隙㊁转子,最后回到永磁环㊂在不通电的情况下,开槽后的电机定子会和永磁体相互作用产生齿槽转矩,使电机产生噪声和振动,增加了电机的起动转矩㊂电机的气隙磁密[10]:B g =∑∞i =1,3,54πB δisin(iα)cos(iθ)(1)式中:B δ为径向气隙磁密;α为齿中心线与永磁体中心线的夹角;θ为位置角㊂ 第i 次谐波磁密幅值:B i =4πB δi sin(iα)=4πB δi sin(iαp π2)(2)式中:αp 为极弧系数㊂图2　定子齿磁导如图2所示,对定子齿而言,若齿对应的气隙磁导为λm ,槽对应磁导为0,则定子齿磁导:λ=2πλm β2+∑∞j =1,3,5sin(jβ)j cos(iβ[])(3)式中:j 为磁导谐波次数㊂ 电机总能量为气隙能量W g 和铁心能量W p 之和:W =12μ0∭VB 2d v =l (r 2s -r 2r )4μ0∫2π0B 2gλ2d θ(4)式中:l 为铁心长;r s 为定子铁心内径;r r 为转子外径㊂将式(1)和式(3)代入式(4),推导得齿槽转矩:T cog =∂W g ∂θ=14μ0l (r 2s -r 2r )∑∞n =1nvB 2n v λ2n v sin(nvθ)(5)当n =1时齿槽转矩幅值:T cml =2π4μ0δD 3i l 3(2p v )21v (h m h m +δ)2B 2r ㊃　sin 2(v p αp π2)sin 2(Zvαi π)(6)式中:μ0为空气磁导率;δ为气隙长度;D i 为电枢直径;v 为齿槽转矩次数;p 为电机极对数;h m 为永磁体从此方向长度;B r 为永磁体剩磁;Z 为电机槽数㊂由上式可知,电机极对数㊁气隙长度㊁电机体积D l ㊁磁体形状㊁定转子结构及内外径尺寸均与齿槽转矩密切相关㊂分数槽集中绕组永磁电机的极数多,定子槽口产生齿槽转矩在叠加后可以抵消一部分,但是高次齿槽转矩仍然存在,并会产生磁动势谐波㊂电机基波电流的磁动势[16]:f (θ,t )=f A 1(θ,t )+f B 1(θ,t )+f C 1(θ,t )=F 1cos(ωt -θ) (7)式中:f A 1(θ,t ),f B 1(θ,t ),f C 1(θ,t )分别代表A ,B ,C 三相的基波磁动势㊂ 每极每相槽数[16]:q =Z 2pm =ND(8) 当相带绕组为120°时,3次及3的倍数次谐波都不存在,为此需合理选择电机极/槽数㊂2　永磁同步电动机设计本文设计了一台额定功率为400W,额定转速为3000r /min,额定转矩为1.27N㊃m 的永磁同步电动机㊂2.1　电机绕组设计电机的极数与转速密切相关,不同转速范围所对应的极数如表1所示[17]㊂表1　不同转速的极数选取范围转速范围n /(r㊃min -1)极数应用场合0~502p >100风力发电机等50~100014<2p <100舰船推进等1000~200004<2p <14电动汽车等200002p <4航空电机等 因此本文电机极数选择的大致范围是4~14㊂槽/极配合除了和转速有关外,还与电机绕组系数㊁齿槽转矩㊁力波振动和谐波损耗密切相关㊂绕组系数与永磁体利用率成正比关系,提高绕组系数可以增加电机转矩㊂谐波损耗过大会使电机效率低,并造成永磁体不可逆退磁㊂随着极/槽比的增加,绕组系数与齿槽转矩随之增大,而力波振动与磁动势谐波损耗随之减小㊂对上述4个因素综合比较,当电机的槽/极比为q =2/5,D设计分析esign and analysis 2019年第47卷第1期 唐雅楠等 永磁同步电动机齿槽转矩优化设计仿真30　2/7,3/8,3/10时,电机会获得比较好的性能,其中当电机的极/槽比为q =2/5时,电机的综合性能最佳㊂因此电机槽/极配合确定为12槽10极㊂电机相邻绕组的轴线空间相差的机械角度:αph =360°Z=30°(9) 相邻槽间的电角度为α,则有:α=p 0×360°Z=150°(10) 将相邻电机绕组以150°电角度进行排列,并设计成双层并联形式,得到电机槽电动势星形图及绕组排列形式,如图3㊁图4所示㊂图3　星形图图4　绕组排列图2.2　定子设计根据电机电枢槽口是否开口,永磁电机的定子槽形分为开口槽和闭口槽㊂为消除电机齿槽转矩并实现绕组自动化绕制,设计了分体式电枢结构的闭口槽定子㊂该定子将电枢磁轭与齿部分离,形成环形外圈与电枢结构式的内环,其结构如图5㊁图6所示㊂图5　电机定子内圈图6　电机定子外圈2.3　永磁体设计表贴式永磁体结构因为制造工艺要求低㊁转动惯量小㊁用较少的永磁体或剩磁密度小的材料,就可以要达到相同的气隙磁密,在小功率电机中应用最为广泛㊂其中瓦片状永磁体结构是表贴式永磁体结构中经常使用的一种结构,但是对电机转速有一定的限制㊂当电机以3000r /min 的转速运行时,瓦片状永磁体容易脱落㊂为此设计了环形永磁体结构,将其直接粘贴或浇注在转轴上,电机在转速3000r /min 运行时,磁钢外面不用保护措施也不易甩出去㊂2.4　电机主要尺寸确定电机的定子外径r g 可以通过下式求得[18]:r g =3P out Z2π3B gmax A s P r ηk d k e cos θ(11)式中:P out 为额定输出功率;Z 为电机槽数;n 为转速;B gmax 为气隙永磁磁密峰值;A s 为线负荷;P r 为永磁体极对数;η为电机效率;k d 为波形系数;k e 为漏磁系数;cos θ为功率因数㊂电机纵向有效长度为L ef :L ef =λD g(12)式中:λ是电机外径与轴向长度的比,初始取值在0.40~0.65较为合理㊂电机每相绕组数N c :N c =ZU2π2nk d D so B gmax(13)式中:U 为电机的额定电压㊂最大气隙磁通密度Φmax :Φmax =πB gmax L ef D g(14) 输出转矩T 表达式:T =32P r B gmax Φmax l (15) 经过计算,400W 永磁电机的基本尺寸如表2所示㊂表2　永磁同步电机基本数据参数数值参数数值电机槽数Z 12转子极数p r10定子外径r g /mm 28.925定子内径r s /mm 14.15气隙长度δ/mm 1转子外径r r /mm11.5转子内径r/mm 5电机轴向有效长度L ef /mm3.93每相绕组数N c1353　电磁特性仿真分析3.1　静态电磁特性分析图7为电机磁力线分布㊂从图7可以看出,电机定子齿部分有漏磁,但是漏磁较少,对电机整体而言影响不大㊂要使电机磁场利用率高,电机齿最狭处的磁密不应超过2T,如图8所示㊂观察图8可知,本文设计的电机,其平均磁密为1.22T,远低于图7　电机磁力线分布图图8　电机定子外圈 2019年第47卷第1期 D设计分析esign and analysis 唐雅楠等 永磁同步电动机齿槽转矩优化设计仿真31　2T,并且齿中部和轭部磁密都在硅钢片饱和拐点以下㊂当电机在额定转速运转时,定子磁密幅值均不会达到饱和工作点,证明了电机定子形状及尺寸设计合理㊂3.2　气隙磁场分布为了验证设计电机的气隙磁密的优劣,重新构建了与上文相同条件但永磁体结构为瓦片状的电机㊂将本文设计电机与瓦片状永磁体电机进行对比,空载气隙磁密如图9㊁图10所示㊂气隙磁密波形理论上应该是标准的正弦波,但是受多方面因素的影响,实际电机一般很难达到正弦波㊂观察图形可以看出,两个电机的气隙磁密波形因为含有丰富的分数次谐波而出现多处凹陷㊂但是环形表贴式结构的永磁体比瓦片式表贴式结构的径向气隙磁密更趋向于正弦波,说明环形表贴式永磁体的径向气隙磁谐波含量要明显减少㊂对所设计电机的气隙磁密进行傅里叶分解,得到基波的气隙磁密幅值为0.9304T,对电机性能影响最大的三次谐波的气隙磁密幅值为0.0066T,与基波幅值相比,基本可以忽略不计㊂说明电机的气隙属性良好,证明了电机永磁体形状及绕组排列设计合理㊂图9　瓦片状永磁体气隙磁密仿真图图10　环形永磁体气隙磁密仿真图3.3　齿槽转矩分析仿真得到所设计电机的齿槽转矩,并对其进行傅里叶分解,如图11㊁图12所示㊂图11　齿槽转矩波形图图12　齿槽转矩傅里叶分解图 从图11可以看出,电机齿槽转矩的最大值为0.008N㊃m,约为输出转矩的0.6%,齿槽转矩已被有效削弱㊂观察图12可以看出,采用环形永磁体后,在一定程度上优化了电机气隙磁密,低次谐波被大大削弱㊂3.4　反电动势分析空载反电动势可以判断电机的性能㊂要使电机的设计合理,就要求电机的功率因数与效率较高,通常要使空载反电动势与端电压比值保持在0.75~1㊂在电机其他参数相同的情况下,重新建立一个单层绕组电机,将设计的电机与单层绕组电机进行对比,得到的空载反电动势,如图13㊁图14所示㊂图13　单层绕组空载反电动势仿真图图14　双层绕组空载反电动势仿真图 从图13形可以看出,单层绕组的空载反电动势有效值为77V,与端电压的比值为0.47;双层绕组的空载反电动势有效值为149V,与端电压的比值为0.89,比值在合理设计的范围内㊂电机采用双层绕组设计更合理㊂4　样机实验按照上文电机设计制造一台永磁同步电机样机,图15~图17为组成样机的绕组㊁定子㊁永磁体照片㊂图15　电机绕组图16　电机定子图17　永磁体 样机在以3000r /min 运行时的空载反电动势 D设计分析esign and analysis 2019年第47卷第1期 唐雅楠等 永磁同步电动机齿槽转矩优化设计仿真 32　各项测试数值如表3所示㊂该电机空载反电动势的A相有效值为87.1V,B相有效值为86.7V,C相有效值为88.1V,与图13㊁图14的数据基本一致,但是有效值比仿真反电动势有效值相比降低了一些,这是由于仿真计算时忽略端部漏磁以及设置的叠片系数等因素,从而与样机不一样㊂表3　实测空载反电动势数据相数最大值U max/V有效值U/V频率f/HzA相12687.1249.1B相12886.7248.9C相12688.1250.1 当电机运行转矩达到1.27N㊃m时,电机的电流为2.41A,输出功率为398.61W,效率达到86.19%,符合电机设计性能要求㊂5　结　语针对分数槽集中绕组永磁同步电动机会产生齿槽转矩并含有大量磁动势谐波的问题,本文对齿槽转矩及磁动势谐波进行分析,并对电机的极/槽比㊁绕组排列㊁定子及永磁体形状㊁电机尺寸进行优化改造,设计了一款槽/极数为12槽10极,绕组采用双层并联排列,定子不开槽,永磁体为环形的永磁同步电动机㊂利用Maxwell2D对电机磁场分布㊁气隙磁通密度㊁齿槽转矩㊁反电动势进行仿真分析㊂最后,制造样机并进行测试,证明了本文所设计电机性能的合理性㊂参考文献[1]　肖庆优.工业机器人用永磁同步伺服电机设计与分析[D].广东工业大学,2016.[2]　张露锋,司纪凯,封海潮,等.分数槽永磁无刷直流同步电机特性分析[J].微特电机,2016,44(8):45-47.[3]　陈贤阳,黄开胜,明国锋,等.风机用外转子永磁无刷直流电动机的优化分析[J].微特电机,2014,42(9):39-42.[4]　李红梅,王萍.面装式永磁同步电机驱动系统无位置传感器控制[J].电工技术学报,2016,31(S1):85-91.[5]　汪旭东,吴俊,许孝卓,等.分数槽低速大转矩永磁同步电机设计[J].河南理工大学学报:自然科学版,2015,34(6):855-859.[6]　杨玉波,王秀和,陈谢杰,等.基于不等槽口宽配合的永磁电动机齿槽转矩削弱方法[J].电工技术学报,2005,20(3):40-44.[7]　周成虎,孔婉琦,黄明明.12槽10极磁通切换型永磁同步电机设计与分析[J].微特电机,2016,44(07):30-33,40. 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内置V型永磁电机齿槽转矩优化
杨勇;孙彦;汪旭东;习晓飞;辛沅栩;张恒琦
【期刊名称】《组合机床与自动化加工技术》
【年(卷),期】2022()12
【摘要】针对内置V型永磁电机齿槽转矩的问题,对齿槽转矩产生的原因进行分析,通过结合不均匀气隙结构和隔磁桥的方法降低齿槽转矩。

首先,通过齿槽转矩表达式分析了不均匀气隙和隔磁桥可以降低齿槽转矩;其次,通过优化参数Rib和HRib 找到了最优的隔磁桥结构,齿槽转矩峰值由1.30 N·m降低到0.36 N·m,降低了72.3%,在最优隔磁桥结构的基础上通过有限元仿真计算找到了最优的不均匀气隙结构,齿槽转矩峰值由0.36 N·m降低到0.21 N·m,降低了41.7%;最后,分析结合不均匀气隙结构和隔磁桥结构后对电机其他性能的影响,空载气隙磁密和空载反电势谐波畸变率基本不变,转矩脉动由25.5%降低到20.4%,降低了5.1%,说明优化后不会对电机其他性能产生影响。

【总页数】4页(P23-26)
【作者】杨勇;孙彦;汪旭东;习晓飞;辛沅栩;张恒琦
【作者单位】上海电机学院电气学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH165;TG659
【相关文献】
1.内置式永磁同步电机齿槽转矩优化设计
2.基于磁极分段优化的内置式永磁同步电机齿槽转矩削弱方法
3.内置式Ⅴ型永磁同步电机齿槽转矩优化
4.基于Ansoft Maxwell的内置式V型永磁电机齿槽转矩优化
5.优化对称性降低V型内置式永磁电机齿槽转矩
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基于Ansoft Maxwell 的内置式V 型永磁电机齿槽转矩优化*吴铭刘成武（福建工程学院，福建福州35011）摘要：作为永磁电机制造不可忽视的性能指标，齿槽转矩是永磁电机向高性能高精度迈进前亟需解决的关键一步。

文章基于能量法和傅里叶展开，解析推导出内置式V 型永磁电机的齿槽转矩理论表达式，从较直观的角度分析了齿槽转矩的产生规律，研究了不等厚磁极、开辅助槽和辅助凸部、槽口尺寸变化引起齿槽转矩波动的影响，并与Ansoft Max⁃well 有限元分析软件结合仿真各优化策略下的内置式电机齿槽转矩。

研究表明，采用不等厚磁极、开辅助凹槽和辅助凸部、适当选取辅助槽尺寸均能减弱齿槽转矩对电机的影响。

关键词：齿槽转矩；有限元；内置式电机；优化策略中图分类号：TM351文献标识码：A文章编号：1672-4801（2020）02-058-05DOI:10.19508/ki.1672-4801.2020.02.017*福建省自然科学基金资助项目(2018J01628)作者简介：吴铭（1996—），男，硕士生，研究方向为永磁电机振动与噪声、电磁场分析。

刘成武（1975—），男，教授，博士，研究方向为机械结构多学科优化设计、汽车NVH 。

随着控制技术的迅速成熟和高性能永磁材料的问世，永磁电机结合驱动控制系统普遍应用在新能源汽车市场。

永磁体磁场与定子齿槽相互作用产生齿槽转矩，系统的控制精度会受其引起的振动和噪声波及。

齿槽转矩是高性能永磁电机研发中不容忽视的重要课题，降低甚至消除齿槽转矩将会对行业影响深远。

在关于齿槽转矩的削弱方法和优化策略方面，近些年取得了大量研究成果。

文献[1]从永磁电机的气隙磁导模型入手解析出能够减小齿槽转矩的合适槽口宽度，但提出的槽口宽度运用到实际价值不高。

文献[2]探究了傅里叶分解系数是否受定子齿槽口宽度影响，研究表明使气隙磁导平方的傅里叶分解系数降低的槽口宽度能减小齿槽转矩；但作者仅从改变相对气隙磁导的角度削弱齿槽转矩，存在一定局限性。

永磁电机齿槽转矩及其计算方法探究永磁电机在现代工业中得到了广泛的应用。

其具有结构简单、高效率、起动性好等优点，成为了替代传统电机的一种重要选择。

其中，永磁电机齿槽转矩作为永磁电机的一种重要转矩，对于电机的正常运行以及电机的设计具有重要的意义。

本文将围绕永磁电机齿槽转矩及其计算方法进行探究。

一、永磁电机齿槽转矩的定义永磁电机齿槽转矩是指永磁电机在正常工作情况下，由于转子上的齿槽与定子上的绕组磁场相互作用而产生的转矩。

这种转矩通常被称为齿槽力矩或绕组振动力矩。

由于永磁电机中永磁体的磁场是不变的，因此齿槽转矩与机械负载相关，是一种非线性转矩。

二、永磁电机齿槽转矩的计算方法永磁电机齿槽转矩的计算方法通常使用磁场有限元分析方法来计算。

在进行磁场有限元分析之前，需要确定电机的几何尺寸、电气参数和材料参数等数据。

一般情况下，电机的几何尺寸和电气参数可以从电机的设计或测试数据中得到，而材料参数可以从材料文献中查询得到。

在进行磁场有限元分析计算时，需要定义电机的磁学模型，包括永磁体、绕组、铁芯等。

对于永磁体，通常采用固定磁场法，即将永磁体的磁场作为固定磁场加入到有限元计算中。

对于绕组，通常采用从定子的电气模型中导出的电流密度来进行计算。

对于铁芯，通常采用线性磁化模型来模拟铁芯的磁性。

在定义好电机的磁学模型之后，可以使用有限元软件进行磁场计算。

在磁场计算过程中，需要考虑绕组的振动和磁通的冲击，以得到更加准确的齿槽转矩。

通过磁场有限元分析计算，可以得到永磁电机的磁场分布、齿槽转矩和力矩波动等数据。

这些数据可以用于电机的设计和优化，使电机能够满足实际工作条件的需求。

三、永磁电机齿槽转矩的影响因素永磁电机齿槽转矩的大小和波动程度取决于多种因素。

其中，主要的影响因素包括永磁体的磁性、绕组的结构和参数、铁心的材料和形状等。

在永磁体的磁性方面，永磁体的磁场分布和磁场强度对于齿槽转矩的大小和波动都有重要的影响。

磁场强度越大，齿槽转矩就越大。