永磁同步电机齿槽转矩分析及削弱措施

贺建忠

摘 要：永磁同步電机由于槽定子铁芯和永磁体之间相互作用会出现齿槽转矩，会产生非常大的噪音和振动，而且会对系统的控制精度造成影响，需要对永磁同步电机齿槽转矩进行分析。文章首先对永磁同步电机齿槽转矩的原因进行了分析，然后对辅助齿高度和辅助齿宽度对齿槽转矩造成的影响进行了分析，并进行了验证。

关键词：永磁同步；齿槽转矩；削弱措施

永磁电机的齿槽矩是转子永久磁体和铁芯齿槽相互作用下产生的磁阻转矩。主要是因为定子齿槽和永磁转子磁极处于不同位置时，主磁路磁导会产生变化，即便是在电动绕组不通电的情况下，受齿槽转矩的影响，电机转子依然有停在圆周若干位置的趋势。当电动机发生旋转时，齿槽转矩会表现为附加的脉动转矩虽然不会减少或者增加电动机的平均转矩，但是会引起噪音、电机振动、速度波动等，对电机定位的伺服性能和精度造成了比较大的影响，特别是在低速时产生的影响更大，为了提高电机运行的稳定性，需要解决齿槽转矩问题。

1 齿槽转矩出现的原理

齿槽转矩主要是因为自身的物力结构产生的，永磁电机在实际运行过程中，齿槽矩会导致电机输出转矩产生脉动，并引起噪音和振动。在实际运行过程中，当永磁磁极中心线和定子槽的中心线相互重叠，那么磁通在定子齿两侧产生的引力会互相抵消，这时齿槽转矩值为0。而当永磁体逆时针旋转时，切向分力无法完全抵消掉，会产生一个齿槽转矩值。

定子齿和永磁磁极之间四种相对位置如图2所示。在处于图1（a）的位置时，永磁体会和定子齿中心对齐，在转子齿侧面会产生相同的磁感应强度，并且受到的引起切向分量也一致，方向相反，会相互抵消掉。将转子逆时针转动时如（b）所示，此时转子齿中心线会超前于磁极中心线，转子齿右半部分的磁场强度会高于转子齿左半部分的磁场强度，受到的引力切向量也不为零，受力方向和转子转动方向相反，表现为负值。当定子磁极中心线和转子齿中心线之间的夹角变大时，会使和该齿临近齿的左半部分的磁感应强度变大，如（c）所示。此时定子齿的磁感应强度没有发生变化，会使用定子磁极中心线和转子齿中心线之间的夹角变大，槽中心线和磁极中心线重合，并将转子齿两个侧面引力的切向分量抵消掉，另外的半个周期也是如此。

一般来说，除了电机定子内径、电机电枢长度、转子外径等外形尺寸以外，为了降低齿槽转矩，需要重点考虑下述几个方面的因素：（1）改变永磁体参数。在对永磁体参数进行改变时，主要是对永磁磁极极弧系数进行调整、对永磁体的斜极和形状进行优化、开斜槽、开辅助槽等方法来进行改变，从而达到削弱齿槽转矩的目的。（2）对电枢参数进行改变。电枢参数的改变主要是对不等槽口宽度、槽口宽度、开设辅助槽、改变齿的形状、斜槽等方法来削弱齿槽转矩。（3）合理的极槽配合。这种方法主要是通过科学的选择电枢极数和槽数，来对齿槽转矩周期进行调整，并使齿槽转矩削弱。

2 案例介绍

本文主要以一个4级、48槽表面式永磁同步电动机举例说明，使用磁极偏移、极弧系数优化、辅助槽开设措施进行试验分析。使用二维有限元分析法进行仿真模拟分析。

3 电机齿槽转矩削弱措施

3.1 合理的选择极弧系数

研究证明，科学的选择极弧系数会使值比较大的永磁体剩磁磁密不会对齿槽转矩产生影响，使值比较小的永磁体剩磁磁密对齿槽转矩产生作用，从而减小齿槽转矩。对于四级、48槽电机来说，如果极弧系数接近0.8或者0.76时，会显著降低齿槽的转矩。综合进行分析后发现将极弧系数范围控制在0.756±0.002之间为最为合理。采用Maxell 2D进行建模分析后可以发现，不同的极弧系数下，齿槽转矩产生的变化是非常小的，但是在极弧系数（αp）等于0.75时，齿槽转矩峰值是最低的，研究结果和理论分析结果一致，如图2所示。

3.2 磁极偏移

当其中的一对永磁磁极逆时针向一个方向移动到合适的位置时，会使逆时针方向永磁磁极之间的气缝隙变小，同时会导致漏磁量增加。定转子之间耦合磁场会变小，从而使齿槽转矩变小。

3.3 斜槽或斜极

斜槽或斜极会使齿槽的转矩降低，虽然斜槽和斜极的作用原理一致，但是两者适用的场所是有所不同的，再加上斜极工艺非常复杂，因此多使用斜槽。在工程实际应用过程中，即便定子槽可以将一个齿距精确的确定出来，但是依然无法将齿槽转矩完全消除，出现这种情况主要是因为同一台电机在生产过程中永磁体材料具有一定的分散性，受电机制造工艺的影响很容易引起转子偏心。而斜槽和斜极无法将铁心端部和永磁体端部之间磁场产生的齿槽转矩削弱，而且在电机槽数比较少或者电机铁心比较短的时候，斜槽和斜磁极实现难度比较大，常常需要采取其他的措施使齿槽转矩削弱。

3.4 开辅助槽

开设辅助槽主要是为了通过对傅里叶分解系数产生影响来达到影响齿槽转矩的目的。最重要的一个环节就是将辅助槽的个数确定出来。在对相关资料进行查阅后，齿槽转矩频率主要是根据转子永磁体和定子槽数的最小公倍数进行确定的，定子槽数和转子永磁体的最小公倍数为转子旋转一周齿槽转矩波动的周期，一般情况下转子磁技术和定子槽数最小公倍数越高，齿槽转矩基波频率也越大，并且随着齿槽转矩基波频率日益增加，基波幅值会随之变小。所以，转子永磁体和定子槽数最小公倍数会越大，可以有效提升高齿槽转矩频率，使齿槽转矩削弱。

3.5 试验结果验证

通过使用二维有限元方法对4极、48槽永磁同步电机极弧系数变化、开辅助槽、磁极移动对永磁电机齿早转矩的影响进行了分析，然后做出了样机。试验结果证明，齿槽转矩测试结果和分析结果基本一致，证明结合电机参数选择相应的措施可以使齿槽转矩削弱。

4 结束语

永磁同步直线电机齿槽转矩削弱可以有效保证电机的性能，本文通过在一台永磁同步电动机中合理的选择极弧系数、磁极偏移、槽口宽度的设计这几种方法，使齿槽转矩得到了显著的削弱，同时使电机性能得到了优化，具有一定的推广应用价值。

参考文献

[1]谢芳，黄守道，刘婷.内置式永磁电机齿槽转矩的分析研究[J].微特电机，2009（11）：11-14.

[2]邓秋玲，黄守道，刘婷.双定子轴向磁场永磁同步风力发电机的设计[J].湖南大学学报（自然科学版），2012，39（2）：54-59.