永磁同步電機齒槽轉矩分析及削弱措施

賀建忠

摘 要：永磁同步電機由于槽定子鐵芯和永磁體之間相互作用會出現齒槽轉矩，會產生非常大的噪音和振動，而且會對系統的控制精度造成影響，需要對永磁同步電機齒槽轉矩進行分析。文章首先對永磁同步電機齒槽轉矩的原因進行了分析，然后對輔助齒高度和輔助齒寬度對齒槽轉矩造成的影響進行了分析，并進行了驗證。

關鍵詞：永磁同步；齒槽轉矩；削弱措施

永磁電機的齒槽矩是轉子永久磁體和鐵芯齒槽相互作用下產生的磁阻轉矩。主要是因為定子齒槽和永磁轉子磁極處于不同位置時，主磁路磁導會產生變化，即便是在電動繞組不通電的情況下，受齒槽轉矩的影響，電機轉子依然有停在圓周若干位置的趨勢。當電動機發生旋轉時，齒槽轉矩會表現為附加的脈動轉矩雖然不會減少或者增加電動機的平均轉矩，但是會引起噪音、電機振動、速度波動等，對電機定位的伺服性能和精度造成了比較大的影響，特別是在低速時產生的影響更大，為了提高電機運行的穩定性，需要解決齒槽轉矩問題。

1 齒槽轉矩出現的原理

齒槽轉矩主要是因為自身的物力結構產生的，永磁電機在實際運行過程中，齒槽矩會導致電機輸出轉矩產生脈動，并引起噪音和振動。在實際運行過程中，當永磁磁極中心線和定子槽的中心線相互重疊，那么磁通在定子齒兩側產生的引力會互相抵消，這時齒槽轉矩值為0。而當永磁體逆時針旋轉時，切向分力無法完全抵消掉，會產生一個齒槽轉矩值。

定子齒和永磁磁極之間四種相對位置如圖2所示。在處于圖1（a）的位置時，永磁體會和定子齒中心對齊，在轉子齒側面會產生相同的磁感應強度，并且受到的引起切向分量也一致，方向相反，會相互抵消掉。將轉子逆時針轉動時如（b）所示，此時轉子齒中心線會超前于磁極中心線，轉子齒右半部分的磁場強度會高于轉子齒左半部分的磁場強度，受到的引力切向量也不為零，受力方向和轉子轉動方向相反，表現為負值。當定子磁極中心線和轉子齒中心線之間的夾角變大時，會使和該齒臨近齒的左半部分的磁感應強度變大，如（c）所示。此時定子齒的磁感應強度沒有發生變化，會使用定子磁極中心線和轉子齒中心線之間的夾角變大，槽中心線和磁極中心線重合，并將轉子齒兩個側面引力的切向分量抵消掉，另外的半個周期也是如此。

一般來說，除了電機定子內徑、電機電樞長度、轉子外徑等外形尺寸以外，為了降低齒槽轉矩，需要重點考慮下述幾個方面的因素：（1）改變永磁體參數。在對永磁體參數進行改變時，主要是對永磁磁極極弧系數進行調整、對永磁體的斜極和形狀進行優化、開斜槽、開輔助槽等方法來進行改變，從而達到削弱齒槽轉矩的目的。（2）對電樞參數進行改變。電樞參數的改變主要是對不等槽口寬度、槽口寬度、開設輔助槽、改變齒的形狀、斜槽等方法來削弱齒槽轉矩。（3）合理的極槽配合。這種方法主要是通過科學的選擇電樞極數和槽數，來對齒槽轉矩周期進行調整，并使齒槽轉矩削弱。

2 案例介紹

本文主要以一個4級、48槽表面式永磁同步電動機舉例說明，使用磁極偏移、極弧系數優化、輔助槽開設措施進行試驗分析。使用二維有限元分析法進行仿真模擬分析。

3 電機齒槽轉矩削弱措施

3.1 合理的選擇極弧系數

研究證明，科學的選擇極弧系數會使值比較大的永磁體剩磁磁密不會對齒槽轉矩產生影響，使值比較小的永磁體剩磁磁密對齒槽轉矩產生作用，從而減小齒槽轉矩。對于四級、48槽電機來說，如果極弧系數接近0.8或者0.76時，會顯著降低齒槽的轉矩。綜合進行分析后發現將極弧系數范圍控制在0.756±0.002之間為最為合理。采用Maxell 2D進行建模分析后可以發現，不同的極弧系數下，齒槽轉矩產生的變化是非常小的，但是在極弧系數（αp）等于0.75時，齒槽轉矩峰值是最低的，研究結果和理論分析結果一致，如圖2所示。

3.2 磁極偏移

當其中的一對永磁磁極逆時針向一個方向移動到合適的位置時，會使逆時針方向永磁磁極之間的氣縫隙變小，同時會導致漏磁量增加。定轉子之間耦合磁場會變小，從而使齒槽轉矩變小。

3.3 斜槽或斜極

斜槽或斜極會使齒槽的轉矩降低，雖然斜槽和斜極的作用原理一致，但是兩者適用的場所是有所不同的，再加上斜極工藝非常復雜，因此多使用斜槽。在工程實際應用過程中，即便定子槽可以將一個齒距精確的確定出來，但是依然無法將齒槽轉矩完全消除，出現這種情況主要是因為同一臺電機在生產過程中永磁體材料具有一定的分散性，受電機制造工藝的影響很容易引起轉子偏心。而斜槽和斜極無法將鐵心端部和永磁體端部之間磁場產生的齒槽轉矩削弱，而且在電機槽數比較少或者電機鐵心比較短的時候，斜槽和斜磁極實現難度比較大，常常需要采取其他的措施使齒槽轉矩削弱。

3.4 開輔助槽

開設輔助槽主要是為了通過對傅里葉分解系數產生影響來達到影響齒槽轉矩的目的。最重要的一個環節就是將輔助槽的個數確定出來。在對相關資料進行查閱后，齒槽轉矩頻率主要是根據轉子永磁體和定子槽數的最小公倍數進行確定的，定子槽數和轉子永磁體的最小公倍數為轉子旋轉一周齒槽轉矩波動的周期，一般情況下轉子磁技術和定子槽數最小公倍數越高，齒槽轉矩基波頻率也越大，并且隨著齒槽轉矩基波頻率日益增加，基波幅值會隨之變小。所以，轉子永磁體和定子槽數最小公倍數會越大，可以有效提升高齒槽轉矩頻率，使齒槽轉矩削弱。

3.5 試驗結果驗證

通過使用二維有限元方法對4極、48槽永磁同步電機極弧系數變化、開輔助槽、磁極移動對永磁電機齒早轉矩的影響進行了分析，然后做出了樣機。試驗結果證明，齒槽轉矩測試結果和分析結果基本一致，證明結合電機參數選擇相應的措施可以使齒槽轉矩削弱。

4 結束語

永磁同步直線電機齒槽轉矩削弱可以有效保證電機的性能，本文通過在一臺永磁同步電動機中合理的選擇極弧系數、磁極偏移、槽口寬度的設計這幾種方法，使齒槽轉矩得到了顯著的削弱，同時使電機性能得到了優化，具有一定的推廣應用價值。

參考文獻

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