磁極偏移與轉子鑿孔開槽對永磁同步電機性能的影響

方 超,黃開勝,吳幫超,黃光建,朱興旺

(廣東工業大學，廣州 510006)

0 引 言

永磁同步電機是現代材料科學、電子電力技術和電機控制理論三者共同聯系發展的產物，其利用永磁體材料產生轉子磁場，區別于傳統的感應電機的磁場由電流勵磁產生，同時從其它方面作對比，它具有一系列優點，如功率密度高、體積小、效率高等。然而由于槽極配合不合理、永磁體形狀或寬度不合適、定子齒寬選擇不合理等多種因素影響，它們之間相互作用產生的齒槽轉矩過大，可能會對永磁電機平穩運行造成不穩定、產生較大的振動和噪聲[1]。因此，針對永磁電機齒槽轉矩的削弱研究尤為重要。

現有的文獻關于永磁電機齒槽轉矩的研究有很多。其中文獻[2]通過分析對整數槽進行磁極偏移來降低電機齒槽轉矩，并實驗驗證了合適的磁極偏移有利于減小電機振動噪聲。文獻[3]研究了不同極槽配合對電機齒槽轉矩的影響，同時分析了定轉子磁場相互作用產生的徑向力波對永磁電機的振動和噪聲的規律。

本文采用了磁極偏移來降低永磁同步電機的齒槽轉矩，借助于Maxwell 2D軟件，利用其參數化掃描功能，對不同磁極偏移角度進行仿真；隨即在磁極偏移后的基礎上對轉子進行鑿孔開槽進而降低轉動慣量，同時提高電機動態響應能力；最后制作樣機，樣機測試結果驗證了該方法的正確性，對改善永磁同步電機的轉矩波動具有參考價值。

1 永磁同步電機齒槽轉矩的理論分析

根據對文獻[4]的研究，當永磁電機考慮磁極偏移時，其齒槽轉矩表達式:

Brbnzcos(nzα)]

(1)

式中:LFe為電樞鐵心長度；R1為電樞外徑；R2為電樞內徑；Branz和Brbnz分別表示:

(2)

(3)

式中:αp為永磁體的極弧系數。

如果永磁體不偏移時被視作一種特定情況(θk=0)，此時Brbnz的值恒為零，整理Branz得:

(4)

只有當n為Np倍數時，Branz才不為零，Np滿足:

(5)

式中：GCD(z,2p)為極數和槽數的最大公約數。

分析式(2)～式(4)可知，假如永磁體不偏移時，n只有取值為Np的倍數時，該次諧波幅值才不等于零。綜上所述，理論上經過適當的磁極偏移，能夠很好地削弱整數槽永磁同步電機的齒槽轉矩[5-6]，且不會引入新的齒槽轉矩諧波。

2 磁極偏移對齒槽轉矩和氣隙磁場的影響

利用電磁場有限元分析軟件，分析磁極偏移角度不同時，永磁電機齒槽轉矩幅值變化的情況，當幅值最小時對應最佳磁極偏移角度。磁極偏移方法：磁極2，3，6，7以縱軸Y為對稱軸相對偏移θ，磁極1，4，5，8以縱軸Y為對稱軸相對偏移3θ。

圖1 磁極偏移后示意圖

根據上述磁極偏移的方式，通過有限元軟件建模后運行計算，生成磁極偏移不同角度時齒槽轉矩的曲線，如圖2所示。從圖2可得，當θ為1°時永磁電機的齒槽轉矩幅值達到最小，其值為0.18 N·m，比最初磁極不偏移時降低了87%，仿真結果表明磁極偏移能夠削弱永磁電機的齒槽轉矩，且削弱效果較為明顯。

圖2 不同磁極偏移角度對應的齒槽轉矩

在有限元分析得出結果后進行數據后處理，得到不同磁極偏移時對應的空載氣隙磁場波形，對其進行傅里葉分解，整理結果如表1所示。當磁極偏移角度為1°時，空載氣隙磁場基波幅值略有減小。隨著偏移角度的增大，空載氣隙磁場畸變率一直在增大，然而磁場諧波含量過多，可能導致永磁電機四階徑向力波數過多，進而造成明顯的振動和噪聲[7-8]，對此可采取措施降低磁場諧波含量，如磁鋼偏心距優化等方法。

表1 磁極偏移角度對應的空載氣隙磁場

3 轉子開槽鑿孔對齒槽轉矩和氣隙磁場的影響

在確定最佳磁極偏移角度后，為了減小永磁電機的轉動慣量，提高電機控制時的動態響應能力，便于轉子上的通風降溫，對轉子進行了鑿孔和開槽處理，轉子鑿孔開槽的示意圖如圖3所示。

圖3 轉子鑿孔開槽示意圖

加載額定電流源，對電機進行穩態分析，得到額定頻率下電機的輸出轉矩仿真曲線如圖4所示。同時給出轉子鑿孔開槽前后的參數對比，如表2所示。由表2可得，轉子鑿孔開槽對永磁電機的空載氣隙磁場諧波含量基本沒有影響，同時減小了輸出轉矩波動。

圖4 輸出轉矩仿真曲線

鑿孔前鑿孔后齒槽轉矩Tcog/(N·m)0．180．21空載磁場基波幅值B/T0．96520．9475空載磁場畸變率21．69%22．69%輸出轉矩To/(N·m)771744輸出轉矩波動1．64%1．54%

4 樣機的制作與試驗

根據以上有限元分析與仿真，采用上述方法對轉子結構進行設計并制作了樣機,如圖5所示。

(a) 轉子疊片

(b) 定子結構

對樣機進行試驗，實測樣機轉矩波動曲線如圖6所示，同時給出了測試數據與計算值對比結果，如表3所示。試驗結果表明，按照以上磁極偏移與轉子開槽鑿孔方案試制的樣機，測試性能良好，正常工作時其轉矩波動有了較為明顯的改善，對永磁同步電機轉子結構的優化設計具有一定的參考意義。

圖6 額定轉速下轉矩波動實測曲線

比較項目計算值測試值誤差電壓U/V3553550線電流I/A3043070．9%轉速n/(r·min-1)150015000輸出轉矩T/(N·m)7447500．8%輸出轉矩波動1．54%1．66%7．2%負載反電勢E/V327320-2．2%效率η96．2%95．5%-0．7%溫升t/℃—68—最大轉矩倍數2．112．151．9%

5 結 語

本文采用磁極偏移與轉子鑿孔開槽的方法對整數槽永磁同步電機進行設計分析，研究了磁極偏移與齒槽轉矩的解析表達式，仿真分析了磁極偏移和轉子鑿孔開槽分別對齒槽轉矩以及空載氣隙磁場的影響，并試制了樣機，試驗結果驗證了該電機轉子設計方法的可靠性。結果表明：

(1)磁極偏移可以有效地減小整數槽永磁同步電機的齒槽轉矩，且對于表貼式永磁電機來說操作簡單，有利于工程實踐，但磁極偏移會帶來空載氣隙磁場諧波含量的增加。

(2)在磁極偏移的基礎上，轉子開槽鑿孔可以進一步降低輸出轉矩波動，有利于永磁電機運行平穩性，且對空載氣隙磁場諧波基本沒有影響。

[1] 唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京:北京工業出版社,1997：163-164.

[2] 田燕飛，黃開勝.整數槽永磁同步電動機磁極偏移的分析與試驗[J].微特電機,2014,42(4):28-30.

[3] 劉景輝，黃開勝.永磁同步電動機徑向電磁力的分析[J].微特電機，2013，41(5)：16-18.

[4] 楊玉波，王秀和等.磁極偏移削弱永磁電機齒槽轉矩方法[J].電工技術學報, 2006,21(10):22-25.

[5] 田燕飛.小型三相永磁無刷直流電動機分析與設計[D].廣州：廣東工業大學,2014:52-55.

[6] 郭仁，黃守道.一種基于磁極偏移的永磁電機齒槽轉矩最優削弱方法[J].微特電機,2010, 38(10),46-50.

[7] 郝雪莉.永磁電動機電磁振動噪聲的計算分析研究[D].沈陽：沈陽工業大學, 2010:46-47.

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