永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)影響因素分析

陳 賀，邵偉平，郝永平，張嘉易

（沈陽理工大學(xué)CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心，遼寧 沈陽 110159）

以釹-鐵-硼為代表的第三代稀土鐵基永磁材料問世以來，使得稀土永磁材料迅速發(fā)展，促進(jìn)了永磁電機(jī)的發(fā)展。永磁電機(jī)應(yīng)用永磁體取代了勵(lì)磁繞組，不需要電激磁，沒有激磁損耗，而且永磁體本身不發(fā)熱。永磁電機(jī)沒有勵(lì)磁繞組，也沒有碳刷、滑環(huán)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕，運(yùn)行較為可靠[1~2]。然而永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩并不是常值，而是波動(dòng)的，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)過大會(huì)影響定位系統(tǒng)的定位精度，導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，引起振動(dòng)，而齒槽定位轉(zhuǎn)矩是影響永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的重要因素之一[3]。

1 永磁電機(jī)的有限元分析

1.1 仿真分析的理論依據(jù)

齒槽定位轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)繞組不通電時(shí)永磁體和鐵心之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是由永磁體與電樞齒間相互作用力的切向分量的波動(dòng)引起的，當(dāng)定轉(zhuǎn)子存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，處于永磁體極弧部分的電樞齒與永磁體間的磁導(dǎo)基本不變，因此，這些電樞齒周圍的磁場(chǎng)也基本不變，而與永磁體的兩側(cè)面對(duì)應(yīng)的由一個(gè)或兩個(gè)電樞齒所構(gòu)成的一小段區(qū)域內(nèi)，磁導(dǎo)變化大，引起磁場(chǎng)儲(chǔ)能變化，從而產(chǎn)生齒槽定位轉(zhuǎn)矩。齒槽定位轉(zhuǎn)矩定義為電機(jī)不通電時(shí)的磁場(chǎng)能量W 相對(duì)于位置角a 的負(fù)導(dǎo)數(shù)[4]，即:

分析計(jì)算永磁電機(jī)磁場(chǎng)儲(chǔ)能W，是以二維電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，利用有限元法，首先對(duì)永磁電機(jī)的電磁場(chǎng)的整個(gè)區(qū)域離散化，而后通過仿真計(jì)算得到電機(jī)磁場(chǎng)的勢(shì)函數(shù)分布，進(jìn)而得到各個(gè)單元磁場(chǎng)的儲(chǔ)能大小，最后通過積分運(yùn)算將各個(gè)單元的能量總體合成，得到了永磁電機(jī)的磁場(chǎng)儲(chǔ)能[5]，其表達(dá)式為：

式中，

B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度；

H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度；

Ω 為積分區(qū)域；

μ 為介質(zhì)磁導(dǎo)率；

A 為矢量磁位。

1.2 永磁電機(jī)的二維瞬態(tài)磁場(chǎng)分析模型

本文分析的永磁電機(jī)模型，如圖1所示。該永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由永磁體和機(jī)殼構(gòu)成，永磁體采用釹-鐵-硼材料，徑向磁化結(jié)構(gòu)，其形狀采用瓦形，固定在機(jī)殼上。電樞定子由定子鐵心和繞組構(gòu)成，有開槽的定子鐵心由硅鋼片疊壓制成，繞組選用銅線繞制。

圖1 永磁電機(jī)模型

1.3影響永磁電機(jī)齒槽定位轉(zhuǎn)矩的因素分析

（1）極槽配合對(duì)齒槽定位轉(zhuǎn)矩的影響

在分析極槽配合因素時(shí)，選取了兩種不同模型，其磁極對(duì)數(shù)都采用一對(duì)，而定子鐵心槽數(shù)分別采用6槽和9槽，槽口寬度都為0.5mm，氣隙長度都為0.5mm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同。通過仿真分析分別得到定子鐵心為6槽與9槽時(shí)的齒槽定位轉(zhuǎn)矩變化，如圖2所示，可以看出齒槽定位轉(zhuǎn)矩都是周期性波動(dòng)變化的，在永磁電機(jī)外轉(zhuǎn)子部分與電樞定子相對(duì)旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)，定子鐵心6槽與9槽產(chǎn)生的齒槽定位轉(zhuǎn)矩分別波動(dòng)變化了6個(gè)周期與18個(gè)周期，而9槽時(shí)的波動(dòng)幅度明顯要低。從表1可得到，9槽時(shí)的齒槽定位轉(zhuǎn)矩幅值為0.070 2 N.m，遠(yuǎn)小于6槽時(shí)的幅值。可以看出，齒槽定位轉(zhuǎn)矩的周期數(shù)越多，其幅值越小。

圖2 定子鐵心6槽與9槽時(shí)的齒槽定位轉(zhuǎn)矩變化

表1 定子鐵心6槽與9槽時(shí)的齒槽定位轉(zhuǎn)矩幅值

（2）氣隙長度對(duì)齒槽定位轉(zhuǎn)矩的影響

為了分析氣隙長度對(duì)齒槽定位轉(zhuǎn)矩的影響，永磁電機(jī)的氣隙長度分別采用0.5mm到2mm之間的不同值，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，磁極對(duì)數(shù)都采用一對(duì)，定子鐵心都采用9槽，槽口寬度都為0.5mm。仿真得到永磁電機(jī)氣隙長度從0.5mm到2mm之間的齒槽定位轉(zhuǎn)矩變化，如圖3所示。可以看出，隨著氣隙長度的增大，齒槽定位轉(zhuǎn)矩波動(dòng)變化的幅度逐漸減小。由表2可以看出，氣隙長度為0.5mm時(shí)的齒槽定位轉(zhuǎn)矩幅值最大，其值為0.070 2 N.m；而氣隙長度為 2mm時(shí)的齒槽定位轉(zhuǎn)矩幅值最小，其值為0.003 9 N.m，二者數(shù)值相差較大。由此可見，增加氣隙長度，可減小齒槽定位轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。

圖3 永磁電機(jī)不同氣隙長度的齒槽定位轉(zhuǎn)矩變化

表2 永磁電機(jī)不同氣隙長度的齒槽定位轉(zhuǎn)矩幅值

（3）槽口寬度對(duì)齒槽定位轉(zhuǎn)矩的影響

為了分析槽口寬度對(duì)齒槽定位轉(zhuǎn)矩的影響，永磁電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)采用一對(duì)，定子鐵心采用9槽結(jié)構(gòu)，氣隙長度采用0.5mm，而槽口寬度分別采用0.5mm到3mm之間六組數(shù)值，電機(jī)外轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，分別進(jìn)行仿真分析，得到各個(gè)槽口寬度的齒槽定位轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4 電樞定子不同槽口寬度的齒槽定位轉(zhuǎn)矩變化

從圖4可以得出，隨著槽口寬度的增加，齒槽定位轉(zhuǎn)矩略有上升的趨勢(shì)。由表3可得出，電樞定子槽口寬度為0.5mm、1mm和1.5mm時(shí)的齒槽定位轉(zhuǎn)矩的幅值變化不是很明顯，隨著電樞定子的槽口寬度進(jìn)一步增加，齒槽定位轉(zhuǎn)矩的幅值略有上升。由此可見，增大槽口寬度，齒槽定位轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度有上升的趨勢(shì)。

表3 電樞定子不同槽口寬度的齒槽定位轉(zhuǎn)矩幅值

3 結(jié)束語

本文以二維電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，利用有限元法，采用二維瞬態(tài)磁場(chǎng)分析方法對(duì)于影響永磁電機(jī)性能的齒槽定位轉(zhuǎn)矩的相關(guān)結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行了分析，經(jīng)過有限元分析計(jì)算得出:

（1）采用使齒槽定位轉(zhuǎn)矩的周期數(shù)較多的的極槽配合，能較大的降低其波動(dòng)幅度。

（2）當(dāng)采用強(qiáng)磁鐵時(shí)，勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，適當(dāng)增大氣隙長度可減小齒槽定位轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度，而不會(huì)對(duì)永磁電機(jī)性能有較大影響。

（3）為了降低齒槽定位轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度，在保證電樞繞組較好繞線的同時(shí)，應(yīng)盡量減小定子鐵心的槽口寬度。

通過對(duì)影響永磁電機(jī)性能的結(jié)構(gòu)因素的分析，提供了永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)，為進(jìn)一步研究提供了參考。

[1]潘樹明.強(qiáng)磁體——稀土永磁材料原理、制造與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2]B.Zhang,Y.Li,Y.Zuo.A DSP-based fully digital PMSM servo drives using on-line self-tuming controller[J].IEEE IPEMC Conf，2000:33-36.

[3]唐任遠(yuǎn).特種電機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4]王秀和.永磁電機(jī)[M].北京:中國電力出版社，2007.

[5]趙 博.Ansoft12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社，2010.