永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩研究

申爽

摘要：隨著永磁材料性能和電氣控制技術(shù)的發(fā)展，永磁電機(jī)在電梯行業(yè)的使用成為主流，然而永磁體與有槽定子鐵心之間會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，因此齒槽轉(zhuǎn)矩作為永磁電機(jī)特有的問(wèn)題之一越來(lái)越被關(guān)注，因?yàn)辇X槽轉(zhuǎn)矩會(huì)引起電機(jī)振動(dòng)，影響電梯的舒適度，傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)定子齒槽使用一體式?jīng)_片疊裝，新型的電機(jī)定子使用單個(gè)槽型進(jìn)行拼接，采用此種設(shè)計(jì)一方面是為了使工藝可以簡(jiǎn)單化一點(diǎn)，另一方面也是為了提高電機(jī)的功率系數(shù)，但是拼接處會(huì)出現(xiàn)縫隙，影響到同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的變化，因此為了尋找最優(yōu)的拼接槽型，文章研究了定子拼接槽型對(duì)永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；齒槽轉(zhuǎn)矩；拼接形狀；有限元法

1 前言

隨著市場(chǎng)的需求，永磁同步電機(jī)的功率被要求越來(lái)越高，一體式的電機(jī)結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用最為廣泛，這樣的電機(jī)需要的原材料面積是很大，材料的利用率不是很高，因此產(chǎn)生不少邊角料，導(dǎo)致制造的成本高，還有受定子繞組嵌線工藝的影響，必須設(shè)計(jì)合適的定子槽口尺寸，因此為了滿足這些要求進(jìn)行定子齒槽拼裝永磁同步電機(jī)槽轉(zhuǎn)矩的研究。

2 定子拼裝結(jié)構(gòu)

拼裝定子有兩種結(jié)構(gòu)，一種是有拼接槽的，拼接面向上并且向內(nèi)還設(shè)置有拼接片，另一種也有拼接片不過(guò)是向外的。沖片的圖形比較固定就是工字扇環(huán)形。多組定子疊片可以形成一個(gè)圓環(huán)形電機(jī)定子，首尾相連的兩個(gè)接片是拼接槽和拼接片。拼接槽的形狀是多種多樣的，拼接片也如此，因此定子沖片的形狀也是多種多樣的，需要根據(jù)不同的使用條件進(jìn)行選擇，定子沖片形狀決定因素有應(yīng)用場(chǎng)合，還有就是工藝水平。不同的定子沖片形狀決定著不同的加工難度，因此T型沖片和梯形沖片因?yàn)榧庸るy度系數(shù)比較低就常常被選用。

3 齒槽轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

齒槽轉(zhuǎn)矩是在電機(jī)不通電的情況下，鐵芯和永磁鐵之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，主要產(chǎn)生原因就是互相作用力的切向分量引起，齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式是一種角的負(fù)導(dǎo)數(shù)，這個(gè)角表示定轉(zhuǎn)角的位置，磁場(chǎng)能量的表達(dá)式是在電機(jī)不通電的前提下根據(jù)齒槽定義的。電機(jī)內(nèi)儲(chǔ)存的能量計(jì)算方法是求和，包括永磁鐵中的能量，還包括電機(jī)氣隙中儲(chǔ)存的能量，但是這種計(jì)算能量的方法也只是一個(gè)近似值，計(jì)算能量總和的前提條件是電樞鐵芯的磁導(dǎo)率無(wú)窮大。磁場(chǎng)的能量由很多的因素決定，定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置、永磁體的性能以及電機(jī)的結(jié)構(gòu)等，根據(jù)這些特性就能夠推導(dǎo)出來(lái)齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式了。表達(dá)式需要包含的參數(shù)有定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置變化的范圍、表示整數(shù)的字母、分解系數(shù)（氣隙磁密平方中的）、真空磁導(dǎo)率、定子軛內(nèi)半徑、電樞外半徑等，這些參數(shù)綜合在一起就可以表示轉(zhuǎn)矩的變化周期。永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密平方傅里葉分解系數(shù)就是因?yàn)辇X槽作用產(chǎn)生的。但是不是所有的分解系數(shù)都是由于齒槽轉(zhuǎn)矩作用產(chǎn)生的，與次諧波的含量還是有關(guān)系的。諧波的含量隨著諧波次數(shù)的增加而減少，較低次諧波受齒槽轉(zhuǎn)矩的氣隙磁密影響。

4 拼接槽形對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

在研究拼接槽形對(duì)齒槽轉(zhuǎn)距的影響時(shí)，主要以定子軛部的不同形狀為參考依據(jù)，表貼式永磁鐵的主要參數(shù)有定子外徑、定子內(nèi)徑、轉(zhuǎn)子最大外徑、轉(zhuǎn)子最小內(nèi)徑、最小氣隙長(zhǎng)度、最大氣息長(zhǎng)度、定子軛部寬度、定子齒部寬度、磁鋼厚度、軸外徑、輸出轉(zhuǎn)矩等。現(xiàn)在的電機(jī)工藝制作水平還不夠高，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)二次氣隙，主要位置在拼裝后的定子軛部，而且并不是小段的氣隙，是一段距離的。電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩回收氣隙的形狀和大小影響，氣隙的長(zhǎng)度需要測(cè)量有效的長(zhǎng)度，有時(shí)比較長(zhǎng)，就要提前進(jìn)行簡(jiǎn)化，這樣既使計(jì)算方式簡(jiǎn)便了，氣隙長(zhǎng)度計(jì)算的數(shù)值也更加準(zhǔn)確了。主要諧波階次對(duì)齒槽的轉(zhuǎn)矩起到的作用是用來(lái)定性的，想要利用解析方法來(lái)測(cè)量，還是要參考?xì)庀洞琶芷椒礁道锶~的分析法。定子沖片的形狀是多種多樣的，計(jì)算方法最常用的就是有限元法，為了更加謹(jǐn)慎的進(jìn)行計(jì)算，最常選用的就是梯形的定子沖片，由于齒槽的轉(zhuǎn)矩幅度是不同的，因此要將定子結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)對(duì)比。氣隙的最小長(zhǎng)度往往是只有0.05毫米，拼接片與拼接槽之間的模型采取的是有限元法，但是由于各種因素限制，氣隙長(zhǎng)度不能夠變得更小，因?yàn)槠囱b時(shí)或產(chǎn)生很多的意料之外的誤差，機(jī)電制作過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生很多工藝的變形問(wèn)題。在拼接槽時(shí)能夠使用的最優(yōu)的拼裝式永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩拼接方法就是在進(jìn)行仿真模擬時(shí)選擇有限元法進(jìn)行拼接。

一般情況下，橫向磁通永磁電機(jī)當(dāng)中的永磁體磁極的尺寸相對(duì)比較小。因此，合理、科學(xué)地確定永磁體的軸向長(zhǎng)度與磁極間距對(duì)提升永磁體的利用效率與提高電機(jī)性能具有十分重要的意義。

主磁通并不是簡(jiǎn)單的隨著永磁體軸向長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而持續(xù)攀升，而是在磁極間距大于永磁體軸向長(zhǎng)度4mm的時(shí)候，出現(xiàn)了其最高值。而后，永磁體軸向長(zhǎng)度減短，主磁通出現(xiàn)加速下降的趨勢(shì)。

這就是選擇、確定永磁體軸向長(zhǎng)度、磁極間距的理論基礎(chǔ)與依據(jù)。但在具體實(shí)施過(guò)程中，若永磁體的軸向長(zhǎng)度太短，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)電感增加，嚴(yán)重影響換向。與此同時(shí)，還增加了加工難度，顯著降低了機(jī)械的強(qiáng)度。因此，在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)使永磁體軸向長(zhǎng)度盡量與磁極間距相接近，但是永磁體的軸向長(zhǎng)度值不能過(guò)小。

在永磁體的磁極間距、電機(jī)極對(duì)數(shù)被確定的情況下，齒寬會(huì)對(duì)電機(jī)漏磁產(chǎn)生影響。一方面，若齒寬太小，會(huì)導(dǎo)致主磁極出現(xiàn)漏磁的現(xiàn)象；另一方面，若齒寬太大，將加重周邊磁極對(duì)主磁極產(chǎn)生的不利影響。由此可見(jiàn)，合理選擇并確定齒槽寬度對(duì)有效減少電機(jī)磁漏率、提升永磁利用效率具有至關(guān)重要的作用。

齒槽寬度值接近于永磁體寬度值的時(shí)候，主磁通出現(xiàn)峰值。其他尺寸磁極計(jì)算，結(jié)論與之相同。由此可見(jiàn)，在進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)盡量保持齒槽的寬度同永磁體的寬度一致，從而最大化的提升永磁體的利用效率與質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章是將一體式定子永磁電機(jī)和拼裝式定子永磁電機(jī)互相比較的，對(duì)于軛部的不同種拼接類型進(jìn)行比較，在分析各種理論研究時(shí)主要是根據(jù)有氣隙的形狀和大小決定，盡可能的讓機(jī)械能夠更加簡(jiǎn)便的運(yùn)行。電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩并不是越大越好，而是要盡可能地減小影響性能的參數(shù)，以便進(jìn)一步提升工程的參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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