基于内外定子槽口宽配合降低电机齿槽转矩的研究

赵玉吉，李明哲，宫海龙

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)



基于内外定子槽口宽配合降低电机齿槽转矩的研究

赵玉吉，李明哲，宫海龙

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

针对双转子永磁力矩电机齿槽转矩波动过大问题，分别导出内外电机齿槽转矩以及整个电机齿槽转矩方程，提出了通过选择合适的内外槽口尺寸的方法，改变内外电机齿槽转矩波形，使内外电机齿槽转矩波形的波峰与波谷相互叠加，从而有效减小整个电机齿槽转矩。最后用有限元法进行了仿真验证，验证结果表明选择合适的槽口宽度配合可以有效削弱齿槽转矩。

永磁力矩电机；双转子；齿槽转矩；有限元

0 引言

随着对数控机床要求的提高，为满足转台电机输出转矩的要求，采用了同步串联连接的双转子永磁环形力矩电机[1]。在永磁电机中，存在一个普遍的问题就是齿槽转矩的存在，这是由于永磁体与开槽电枢铁心之间会相互作用，进而产生振动和噪声，影响系统的控制精度[2]。随着对电机齿槽转矩的研究，提出了永磁电机很多种方法来降低齿槽转矩，目前主要的方法有：定子采用闭口槽结构、改变铁心形状、改变转子永磁铁形状、采用定子斜槽等[3]。

本文在提出的新型双转子结构电机的基础上，推导该电机合成齿槽转矩的解析表达式，提出通过选择合适的内外定子槽口宽度的方法，在降低电机齿槽转矩幅值同时改变内外电机转矩脉动波形，使内外电机齿槽转矩波形波峰与波谷相互叠加，从而达到有效减小整个电机齿槽转矩目的。最后应用Ansys软件建立时变运动电磁场有限元模型，对不同内外定子槽口尺寸的配合进行计算，通过对比分析，得出最佳配合尺寸。

1 双转子永磁环形力矩电机结构

双转子永磁环形力矩电机从结构上可以看成其由内外两台电机串联，具体结构方式如图1所示。双转子电机主要由内环转子永磁体、内环转子铁心、内环定子、电机冷却装置、外环定子、外环转子永磁体和外环转子铁心组成。永磁体磁钢在电机内外铁心上按圆周均匀分布，且磁极数相同。电机内外定子表面按圆周方向均匀开槽，且槽数相同，但槽口尺寸不同。

图1 双转子永磁环形力矩电机横截面图

2 齿槽转矩方程

永磁电机不通电时永磁体和定子铁心之间相互作用产生的转矩表达式为：

(1)

在对双转子电机齿槽转矩表达式进行推导时，为便于计算，假设：

1) 电枢铁心的磁导率无穷大，即μFe=∞；

2)θ=0位置设定在任一磁极的中心线上；

3) 内电机中各个永磁体尺寸、性能相同，外电机中各个永磁体尺寸、性能相同且永磁材料的磁导率与空气相同。

根据文献[4]推导了永磁同步电机的齿槽转矩计算公式为：

(2)

式中：Rm为电机定子内半径；Rs为电机转子外半径；Lef为铁心长度；NL为槽数Q和极数P的最小公倍数；Bn NL为不开槽时气隙磁通密度调制函数的傅立叶分解系数；Gn NL为开槽时气隙磁通密度调制函数的傅立叶分解系数。

双转子永磁环形力矩电机的内外电机槽形结构如图2所示，其中规定内电机的齿宽度为d，外电机的齿宽度为c。在计算电机齿槽转矩时由于谐波分量对齿槽转矩幅值影响很小，可以忽略不计，故只是对齿槽转矩基波分量进行计算分析，即n=1时，则有：

图2 电机齿槽结构示意图

(3)

外转子电机GNL1的分布函数可表示为：

(4)

同理，可得内转子电机GNL2的分布函数为：

(5)

将式(4)和式(5)代入(3)式，可得：

T(α)=T1(α1)+T2(α2)=

(6)

3 有限元仿真计算

为了得到最佳的槽口宽配合，采用有限元方法进行仿真，表1是电机参数，利用Ansys软件对电机定子和转子部分进行建模。

表1 电机参数

当内定子槽口宽度为定值1.75°(机械角度)时，根据外电机最佳槽口宽的范围，对外定子不同槽口宽进行了齿槽转矩的仿真计算，选定宽度分别为0.75°，1°，1.25°，1.5°。其中图3为选择外电机槽口尺寸为1°(机械角度)时，内外电机齿槽转矩曲线图。从图中可以看出，选择合适的内外槽口尺寸后两齿槽转矩波峰相位正错开半个周期，使得波峰与波谷相叠加。

图3 外电机槽口1°时内外齿槽转矩曲线

图4为外定子不同槽口宽度时合成齿槽转矩波动曲线图。由图4和表2得出，在双转子永磁力矩电机中内电机槽口尺寸按照设计要求确定后，电机的合成齿槽转矩幅值随着外电机槽口尺寸的增大，其值先变小后变大，有一个最小的幅值。因而验证了选择合适的槽口宽度可以有效降低整个电机的合成齿槽转矩波动理论的正确性。

表2 不同外槽口宽合成齿槽转矩幅值

图4 不等槽口宽齿槽转矩波动曲线

4 结语

本文分别导出内外电机齿槽转矩以及整个电机齿槽转矩方程，提出了通过选择合适的内外槽口宽度尺寸的方法，可以改变内外电机齿槽转矩波形，使内外电机齿槽转矩波形的波峰与波谷叠加，从而有效抑制整个电机齿槽转矩波动。最后用有限元法进行了仿真验证，仿真结果表明当内电机定子槽口尺寸确定后，双转子电机的合成齿槽转矩幅值随着外电机槽口尺寸的增大，其值先变小后变大，存在一个最小的幅值，因而验证了选择合适的槽口宽度可以有效降低整个电机的合成齿槽转矩波动理论的正确性。

[1]徐衍亮, 王法庆, 冯开杰，等. 双转子永磁电机电感参数、永磁电势及齿槽转矩[J].电工技术学报,2007,22(9):40-44.

[2]王秀和,丁婷婷,杨玉波，等.自起动永磁同步电动机齿槽转的研究[J].中国电机工程学报,2005,25(18)：167-170.

[3]Bianchi N, Bolognani S. Design Techniques for reducing the cogging torque in surface-mounted PM Motors[J]. IEEE Transactions on Industry Applications. 2000,38(5):1259-1265.

[4]杨玉波,王秀和,陈谢志，等.基于不等槽口宽配合的永磁电动机齿槽转矩削弱方法[J].电机技术学报,2005,20(3)：40-44.

赵玉吉，1983年生，男，2011年毕业于沈阳工业大学，硕士，现在哈尔滨电机厂有限责任公司从事电机专业工作。

欢迎来稿 欢迎订阅