工艺误差对内置式永磁电机电磁性能的影响

葛 笑，诸自强，2，陈金涛

(1.广东威灵电机制造有限公司,佛山528311;2.英国谢菲尔德大学,谢菲尔德S1 3JD)

0 引 言

近年来,电机制造越来越强调生产工艺的简化和可靠性的提高。由于永磁体可方便地埋设于转子铁心中且定子绕线操作可通过分割铁心工艺[1-2]简化,分数槽集中绕组内置式永磁电机受到业界的重视。然而,良好的电磁性能亦需得到保证,如:齿槽转矩、反电势和电磁转矩等。对于很多工业应用场合,齿槽转矩和转矩脉动需要严格控制,如:伺服电机[3],电动助力转向用电机[4]等。因此,在电机设计中需采取特殊措施以进一步提高内置式永磁电机的产品竞争力。

为进一步降低分数槽永磁电机的齿槽转矩,相关文献提出了多种行之有效的方法[5-6]。内置式架构通常可采用转子削弧的方式以获得更为正弦的气隙磁场[7]。此外,采用分段斜极[8-9],可在削弱齿槽转矩的同时,回避连续斜极时不规则永磁体的生产和充磁难题。众所周知,负载转矩脉动和齿槽转矩以及反电势谐波密切相关[10-11],上述转子削弧和分段斜极的方式亦可有效降低反电势谐波成分,进而减小转矩脉动,同时不会明显增加内置式永磁电机的工艺难度。然而,在电机量产过程中,工艺误差不可避免,其对齿槽转矩的影响也引起了广泛的关注[1,12-16]。文献[12-13]解析推导了安装偏心所造成的附加谐波成分,文献[14-16]研究了不规则永磁体带来的影响,文献[1]分析了分割铁心中不规则的安装气隙对齿槽转矩幅值和周期的影响。除了上述工艺误差,分割铁心定子内圆度亦会出现偏差,其影响尚需进一步研究,而且不同工艺误差最敏感的分布在以往的文献中亦未曾涉及。此外,工艺误差对其它电磁性能的影响也有待明确。

本文以12槽8极电机为例,研究不同工艺误差及分布对内置式永磁电机主要电磁性能的影响。首先介绍了主要生产工艺和理想情况下的电磁性能。其次分析了永磁体不一致性和定子内圆度偏差对齿槽转矩的影响,并通过向量图的方式明确最敏感的误差分布。此外还分析了上述误差分布对反电势和电磁转矩的影响。最后,制作样机并进行试验验证。

1 内置式永磁电机生产工艺和电磁性能

1.1 定转子生产工艺

内置式永磁电机的永磁体形状规则且易于安装,很大程度上简化了生产工艺并降低了电机制造成本,近年来得到越来越多的关注和应用。

为了简化定子绕线工艺,分割铁心技术[1-2]广泛应用于分数槽集中绕组电机中,如图1(a)所示,如伺服电机,电动助力转向用电机等。同时,定子槽空间的充分利用则降低了电机铜耗,提高了电机整体效率。此外,分段斜极技术[8-9]如图1(b)所示,在削弱电磁性能中不利谐波的同时,解决了连续斜极设计中不规则永磁体的生产和充磁难题。因此,上述定转子生产工艺在永磁电机中的应用日益增多。

图1 内置式永磁电机的生产工艺

1.2 理想情况下主要电磁性能

以12槽8极电机为例,建立了有限元分析模型,主要参数如表1所示。在理想情况下,计算出电机的主要电磁性能,即齿槽转矩、反电势和电磁转矩(分别见图2)。为方便比较,图2中同时给出了转子未斜极和分段斜极(3段式,斜-5°,0°,5°)2种情况下的电磁性能。

表1 切向内置式永磁电机模型主要参数(12槽8极)

图2 理想条件下电机的主要电磁性能

2 工艺误差对齿槽转矩的影响

上述分析表明分段斜极可以显著改善理想状况下内置式永磁电机的电磁性能。然而,在电机量产过程中工艺误差不可避免。接下来针对2种典型的工艺误差及其影响展开分析。

2.1 永磁体不一致性

在永磁体的生产和充磁过程中造成的永磁体差异时有发生,如尺寸不一致和磁性能不一致等。鉴于永磁体和气隙磁场的紧密关系,永磁体不一致性对齿槽转矩的影响需进一步研究。相比于尺寸公差,磁性能差异更难于控制。对于N45SH牌号而言,常温下平均剩磁为1.32 T,最高值却高达1.42 T(剩磁为该值的永磁体称为非理想永磁体)。考虑到非理想永磁体的随机分布,选择12种具有代表性的排布来分析永磁体不一致性对齿槽转矩的影响,如图3所示。

图3 不同非理想永磁体排布情况下的齿槽转矩谐波成分

可见不同排布的非理想永磁体对齿槽转矩的影响亦不相同。有的组合影响基本可以忽略,如2块相邻的永磁体——1#,2#;有些组合则引入了传统分段斜极方式不能削除的12次附加谐波,尤其是4块间隔排布的非理想永磁体——1#,3#,5#,7#。

为了方便判断非理想永磁体排布对齿槽转矩的影响,介绍一种向量图的方法,如图4所示。对于12槽8极设计,任一非理想永磁体均会产生12次的附加齿槽转矩。基于相邻永磁体的相对机械角度差(45°),不同的非理想永磁体产生的附加齿槽转矩向量可表示为图4(a)所示。考虑到谐波次数(12次),该向量图亦可通过电气角度来表示为图4(b)所示。通过该向量图,可方便地衡量不同排布的非理想永磁体对附加齿槽转矩成分的影响。可见,间隔分布的非理想永磁体是永磁体不一致性的最敏感情形,这与有限元分析结果(如图3所示)相吻合。

图4 12槽8极永磁电机中由于永磁体不一致性导致的12次附加齿槽转矩向量图

2.2 定子铁心内圆度偏差

对于分割铁心生产工艺,定子齿安装凸起,如图5所示。通常会造成定子铁心的内圆度偏差。为明确这一工艺误差对齿槽转矩的影响以及定子齿凸起最敏感的分布,亦可借助于上述向量图的方法。

图5 分割铁心定子齿安装凸起

当12槽8极电机中出现定子齿安装凸起时,不难得出在齿槽转矩中会引入8次的附加分量。根据相邻两定子齿间的机械角度(30°)和附加分量的阶次(8次),由不同定子齿凸起造成的附加齿槽转矩向量可通过图6(a)(机械角度)和图6(b)(电气角度)来描述。可见,当属于同一相的4个定子齿存在安装凸起时,引入8次的附加齿槽转矩达到最大值。

图6 12槽8极永磁电机中由定子内圆度偏差导致的8次附加齿槽转矩向量图

为验证上述向量图以及明确定子齿凸起造成的最大附加齿槽转矩,基于分割铁心典型的工艺水平(0.02 mm凸起),通过有限元方法分别计算出4种定子齿凸起情形下的齿槽转矩,如图7所示。可见4种情况分别引入了成比例增加的5.0 mN·m,10.4 mN·m,15.5 mN·m和20.6 mN·m的8次附加成分,数值上基本符合向量图的分析规律。

图7 不同定子齿凸起分布情况下的齿槽转矩(0.02 mm凸起)

通过上述向量图的方法可以明确不同工艺误差最敏感的分布(亦可应用于不同极槽配合的永磁电机),而对于低阶次的附加齿槽转矩成分,传统的分段斜极方式已不能有效削除。

3 工艺误差对反电势和电磁转矩的影响

除了齿槽转矩,进一步研究永磁体不一致性(间隔排布的非理想永磁体)和定子内圆度偏差(同一相的4个定子齿安装凸起)对其他电磁性能的影响。转子未斜极且谐波分析基于360°机械周期。

图8为理想和考虑上述工艺误差情况下的反电势对比。不同于理想情况,由于永磁体的不一致性,导致不对称的气隙磁场分布,在反电势中引入了少量的8次(基波阶次的2倍)附加谐波成分(0.11 V)。考虑定子齿安装凸起导致的定子内圆度偏差时,反电势谐波则无明显变化。

图8 工艺误差对反电势的影响(未斜极)

图9 比较了前述工艺误差对电磁转矩的影响。考虑永磁体不一致性时,转矩脉动从理想情况下的10.7%增加到12.5%,主要是由于12次的附加齿槽转矩成分以及8次附加反电势谐波与4次基波电流相互作用导致的12次脉动转矩(0.086 mN·m)。考虑定子内圆度偏差时,8次的附加齿槽转矩成分在转矩中引入了少量的8次脉动转矩谐波(0.035 mN·m)。

图9 工艺误差对电磁转矩的影响(未斜极)

从上述分析可以看出,永磁体不一致性和定子内圆度偏差在主要电磁性能中引入了附加的谐波成分。然而,相比于反电势和电磁转矩,上述工艺误差对齿槽转矩的影响更为明显,其引入的低阶次谐波成分无法通过传统的分段斜极方式来有效削除。因此,在内置式永磁电机的生产过程中,特别是对低齿槽转矩应用场合,这2种工艺误差需要严格控制,避免敏感的误差分布。

4 样机与实验

鉴于工艺误差的随机分布,验证其对齿槽转矩的影响往往需要对批量产品进行大量的实验。为简化起见,制作了一理想的定子和具有一个0.2 mm齿凸起的非理想定子来验证定子内圆度偏差的影响,如图10(a)、图10(b)所示。此外,为了反映永磁体不一致性的影响,制作了一个理想的转子和一个由两种永磁材料(磁性能如表2所示)间隔分布的的非理想转子,如图10(c)、图10(d)所示。为清晰地反映低阶次的附加齿槽转矩成分,2个转子均采用分段斜极方式(3 段,斜-5°,0°和 5°)。

表2 2种永磁材料的磁性能列表

在验证工艺误差影响之前,首先测试了理想样机(理想定子与转子)的齿槽转矩,如图11所示。可以看出,理想样机的齿槽转矩中不含有明显的低阶次谐波成分,幅值控制在±17 mN·m以内。

图11 理想样机的齿槽转矩(理想定子和转子)

上述理想定子搭配非理想转子,测试出其齿槽转矩,如图12所示。尽管采用了分段式斜极的方式,其齿槽转矩中仍引入了明显的12次谐波,高达68 mN·m。为方便比较,图中还给出了三维有限元的分析结果,与测试结果亦基本吻合。

图12 样机的齿槽转矩(理想定子和非理想转子)

对于非理想定子和理想转子的组合,也测试出其齿槽转矩性能,如图13所示。可见,由于定子铁心内圆度的偏差,引入了幅值为46 mN·m的8次附加齿槽转矩,亦不能通过传统的分段斜极方式削除。

图13 样机的齿槽转矩(非理想定子和理想转子)

尽管量产中的电机产品不会引入如此明显的工艺误差,上述验证方法在回避大批量样机测试的同时,清晰地反映出不同类型的工艺误差所引入的低阶次附加齿槽转矩成分。考虑到该附加成分的阶次,传统的分段斜极方式已不能有效地削除。可见,电机制造过程中需要严格保证工艺误差的水平,尽量避免前述最敏感的误差分布。

5 结 语

本文研究了工艺误差对内置式永磁电机电磁性能的影响。以12槽8极架构为例,提出用向量图的方法来明确不同工艺误差最敏感的分布,该方法亦可应用于不同极槽配合的电机中。考虑永磁体不一致性时,4块间隔分布的非理想永磁体引入最大的12次附加齿槽转矩。此外,定子铁心内圆度偏差将引入8次附加齿槽转矩,特别是当同一相的4个定子齿存在安装凸起时。上述低阶次的附加齿槽转矩不能通过传统的分段斜极方法削除,在一定程度上也影响了负载转矩性能。后续工作将进一步分析比较不同电机设计对工艺误差的敏感性,如不同极槽配合的设计,不同转子形状设计等。

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