永磁电机齿槽转矩结构影响因素分析

2013-08-31 02:32邵伟平郝永平张嘉易

装备制造技术 2013年2期

陈贺，邵伟平，郝永平，张嘉易

（沈阳理工大学CAD/CAM技术研究与开发中心，辽宁沈阳 110159）

以钕-铁-硼为代表的第三代稀土铁基永磁材料问世以来，使得稀土永磁材料迅速发展，促进了永磁电机的发展。永磁电机应用永磁体取代了励磁绕组，不需要电激磁，没有激磁损耗，而且永磁体本身不发热。永磁电机没有励磁绕组，也没有碳刷、滑环，结构简单，体积小，质量轻，运行较为可靠[1~2]。然而永磁电机的输出转矩并不是常值，而是波动的，转矩波动过大会影响定位系统的定位精度，导致调速系统的转速波动，引起振动，而齿槽定位转矩是影响永磁电机转矩波动的重要因素之一[3]。

1 永磁电机的有限元分析

1.1 仿真分析的理论依据

齿槽定位转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿间相互作用力的切向分量的波动引起的，当定转子存在相对运动时，处于永磁体极弧部分的电枢齿与永磁体间的磁导基本不变，因此，这些电枢齿周围的磁场也基本不变，而与永磁体的两侧面对应的由一个或两个电枢齿所构成的一小段区域内，磁导变化大，引起磁场储能变化，从而产生齿槽定位转矩。齿槽定位转矩定义为电机不通电时的磁场能量W 相对于位置角a 的负导数[4]，即:

分析计算永磁电机磁场储能W，是以二维电磁场理论为基础，利用有限元法，首先对永磁电机的电磁场的整个区域离散化，而后通过仿真计算得到电机磁场的势函数分布，进而得到各个单元磁场的储能大小，最后通过积分运算将各个单元的能量总体合成，得到了永磁电机的磁场储能[5]，其表达式为：

式中，

B 为磁感应强度；

H 为磁场强度；

Ω 为积分区域；

μ 为介质磁导率；

A 为矢量磁位。

1.2 永磁电机的二维瞬态磁场分析模型

本文分析的永磁电机模型，如图1所示。该永磁电机转子采用外转子结构，由永磁体和机壳构成，永磁体采用钕-铁-硼材料，径向磁化结构，其形状采用瓦形，固定在机壳上。电枢定子由定子铁心和绕组构成，有开槽的定子铁心由硅钢片叠压制成，绕组选用铜线绕制。

图1 永磁电机模型

1.3影响永磁电机齿槽定位转矩的因素分析

（1）极槽配合对齿槽定位转矩的影响

在分析极槽配合因素时，选取了两种不同模型，其磁极对数都采用一对，而定子铁心槽数分别采用6槽和9槽，槽口宽度都为0.5mm，气隙长度都为0.5mm，其他结构参数相同。通过仿真分析分别得到定子铁心为6槽与9槽时的齿槽定位转矩变化，如图2所示，可以看出齿槽定位转矩都是周期性波动变化的，在永磁电机外转子部分与电枢定子相对旋转一周的时间内，定子铁心6槽与9槽产生的齿槽定位转矩分别波动变化了6个周期与18个周期，而9槽时的波动幅度明显要低。从表1可得到，9槽时的齿槽定位转矩幅值为0.070 2 N.m，远小于6槽时的幅值。可以看出，齿槽定位转矩的周期数越多，其幅值越小。

图2 定子铁心6槽与9槽时的齿槽定位转矩变化

表1 定子铁心6槽与9槽时的齿槽定位转矩幅值

（2）气隙长度对齿槽定位转矩的影响

为了分析气隙长度对齿槽定位转矩的影响，永磁电机的气隙长度分别采用0.5mm到2mm之间的不同值，其他结构参数保持不变，磁极对数都采用一对，定子铁心都采用9槽，槽口宽度都为0.5mm。仿真得到永磁电机气隙长度从0.5mm到2mm之间的齿槽定位转矩变化，如图3所示。可以看出，随着气隙长度的增大，齿槽定位转矩波动变化的幅度逐渐减小。由表2可以看出，气隙长度为0.5mm时的齿槽定位转矩幅值最大，其值为0.070 2 N.m；而气隙长度为 2mm时的齿槽定位转矩幅值最小，其值为0.003 9 N.m，二者数值相差较大。由此可见，增加气隙长度，可减小齿槽定位转矩的波动。