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齒槽轉(zhuǎn)矩對電機(jī)性能的影響

jf_IvoARX3P ? 來源:EDC電驅(qū)未來 ? 2023-08-30 09:18 ? 次閱讀

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)繞組不通電時(shí)永磁體與定子鐵心之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,是永磁體與定子齒之間相互作用力的切向分量的脈動(dòng)引起的。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),永磁體兩側(cè)面對應(yīng)定子齒槽的一小段范圍內(nèi)磁導(dǎo)發(fā)生較大變化,引起磁場儲(chǔ)能發(fā)生變化,從而產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。

齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)引起永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致速度波動(dòng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)還會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲,當(dāng)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的頻率與電樞電流諧振頻率一致時(shí),會(huì)產(chǎn)生共振,勢必會(huì)放大齒槽轉(zhuǎn)矩的振動(dòng)和噪聲。嚴(yán)重影響電機(jī)的定位精度和伺服性能,尤其在低速時(shí)影響更為嚴(yán)重。

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齒槽轉(zhuǎn)矩示意圖

齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理

齒槽轉(zhuǎn)矩(cogging torque)是電樞繞組不通電的情況下,由永磁體和電樞鐵心的齒槽相互作用產(chǎn)生的周向轉(zhuǎn)矩,這一轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)子位置的變化而變化,因此是一種脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。其產(chǎn)生來自于永磁體與定子齒之間的切向力合力,切向力總是試圖將永磁體磁場軸線與定子齒的軸線對齊,從而使轉(zhuǎn)子有定位在某個(gè)位置的趨勢,也可以簡單理解為在磁路磁阻分布不均勻時(shí),磁力線總會(huì)沿著磁阻最小的磁路閉合,即“磁路磁阻最小原理”。

從能量角度來講,齒槽轉(zhuǎn)矩是由永磁體產(chǎn)生的磁場能量變化引起的,磁場能量與轉(zhuǎn)子所處角度相關(guān)。由于磁場能量表達(dá)式的復(fù)雜性,磁場能量偏微分得出的齒槽轉(zhuǎn)矩解析解必定復(fù)雜。下文提到所有削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法均為了減小磁場能量偏微分的波動(dòng)。

齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法

對于削弱齒槽轉(zhuǎn)矩,學(xué)者進(jìn)行了大量研究。對方法進(jìn)行總主要?dú)w結(jié)為三類:

電機(jī)總體考慮:采用分?jǐn)?shù)槽繞組;

定子側(cè)考慮:定子斜槽、定子齒開輔助槽、槽口寬度優(yōu)化;

轉(zhuǎn)子側(cè)考慮:轉(zhuǎn)子磁極極弧系數(shù)、不均勻氣隙、轉(zhuǎn)子斜極、磁極偏移。

采用分?jǐn)?shù)槽繞組

考慮槽數(shù)Z和極數(shù)2p組合與齒槽轉(zhuǎn)矩關(guān)系,通常認(rèn)為基波齒槽轉(zhuǎn)矩周期數(shù)越大,其幅值越小,所以應(yīng)該選擇最小公倍數(shù)較大的定子槽數(shù)Z和轉(zhuǎn)子極數(shù)2p組合。

采用分?jǐn)?shù)槽繞組電機(jī)有利于降低齒槽轉(zhuǎn)矩的原理在于:他的定子各個(gè)槽口所處磁場位置不同,所以各自產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩相位不同,疊加的結(jié)果不但提高了基波齒槽轉(zhuǎn)矩的周期數(shù),并有可能產(chǎn)生相互抵償作用。而整數(shù)槽繞組電機(jī)每個(gè)磁極下的齒槽個(gè)數(shù)和位置都是相同的,所有極下產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩相位相同,2p個(gè)極的齒槽轉(zhuǎn)矩疊加起來使總齒槽轉(zhuǎn)矩大為增加。

筆者曾仿真過相同的9槽定子沖片,轉(zhuǎn)子分別為6極極8極,兩種方案均為分?jǐn)?shù)槽電機(jī),但齒槽轉(zhuǎn)矩也有很大差異,因?yàn)樗麄兊腪與2p的最小公倍數(shù)分別為18和72。9槽6極電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為30mNm,而9槽8極電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為2mNm。

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不同極數(shù)齒槽轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)子磁極極弧系數(shù)

極弧系數(shù)α是指磁極極弧寬度與磁極極距之比。整數(shù)槽電機(jī)情況下,對于表貼永磁磁極,通常認(rèn)為磁極極弧寬度接近槽距的整數(shù)倍時(shí)有利于降低齒槽轉(zhuǎn)矩。分?jǐn)?shù)槽電機(jī)情況下,如9槽8極電機(jī),通過有限元仿真分析,極弧系數(shù)選擇0.89/0.78/0.67時(shí),齒槽轉(zhuǎn)矩較小;4極6槽電機(jī),極弧系數(shù)為0.67時(shí),齒槽轉(zhuǎn)矩較小。

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不同槽型齒槽轉(zhuǎn)矩

不均勻氣隙

通常設(shè)計(jì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間氣隙是均勻的,磁體下的氣隙磁密分布會(huì)更接近于梯形波,有較多諧波。如果改為不等氣隙,即磁體中央處氣隙小,在極尖處有較大氣隙,使磁體下的氣隙磁通密度分布接近正弦波,有利于降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

在內(nèi)轉(zhuǎn)子表貼電機(jī)中,如果弧形永磁體內(nèi)外徑為同心圓時(shí),永磁體厚度相等,氣隙均勻。如果內(nèi)外徑不同心,則磁體厚度不等,可以使電機(jī)氣隙不均勻,從而降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

不均勻氣隙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子斜極、定子斜槽

齒槽轉(zhuǎn)矩基波周期數(shù)等于定子槽數(shù)Z與轉(zhuǎn)子極數(shù)2p的最小公倍數(shù)N,即齒槽轉(zhuǎn)矩的基波周期對應(yīng)機(jī)械角度360/N。因此如果定子鐵心斜槽角度或轉(zhuǎn)子磁極斜極角度為360/N,即可以消除齒槽轉(zhuǎn)矩基波。

采用斜極斜槽的方式會(huì)導(dǎo)致電機(jī)反電動(dòng)勢降低及電磁轉(zhuǎn)矩下降。定子斜槽會(huì)導(dǎo)致繞組嵌線難度增加,并且電機(jī)會(huì)產(chǎn)生軸向力。工藝上通常采用轉(zhuǎn)子分段錯(cuò)位方法近似斜極。如對轉(zhuǎn)子分段數(shù)進(jìn)行參數(shù)化分析,當(dāng)轉(zhuǎn)子分段數(shù)達(dá)到5段時(shí),齒槽轉(zhuǎn)矩就完全可以忽略了。

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轉(zhuǎn)子錯(cuò)極結(jié)構(gòu)

磁極偏移

磁極偏移與轉(zhuǎn)子磁極分段錯(cuò)位類似,對于2p個(gè)磁極才能夠原來均布位置改為圓周方向偏移,這樣相當(dāng)于在一個(gè)基波齒槽周期內(nèi)有分段磁極2p段,除了2p次及其倍數(shù)次諧波外,其他齒槽轉(zhuǎn)矩都得到削弱。但是,磁極偏移會(huì)引入轉(zhuǎn)子不平衡磁拉力問題。例如,對于4極24槽電機(jī),采用磁極偏移方法后,齒槽轉(zhuǎn)矩從0.2Nm降低至0.02Nm。筆者曾經(jīng)拆解過瑞諾的伺服電機(jī),該電機(jī)就是采用的磁極偏移的方式來降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

磁極偏移結(jié)構(gòu)

定子齒開輔助槽

定子齒開輔助槽降低齒槽轉(zhuǎn)矩的原理在于增加齒槽轉(zhuǎn)矩基波周期次數(shù),輔助槽引起的齒槽轉(zhuǎn)矩對原有槽口齒槽轉(zhuǎn)矩起到抵償作用,從而使總齒槽轉(zhuǎn)矩幅值降低。開輔助槽還使等效氣隙增加,也有利于降低齒槽轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)提到對于18槽12極電機(jī),當(dāng)定子開兩個(gè)槽時(shí),齒槽轉(zhuǎn)矩周期次數(shù)提高三倍,齒槽轉(zhuǎn)矩下降約3倍。對于4極6槽電機(jī),當(dāng)定子開兩個(gè)輔助槽時(shí),齒槽轉(zhuǎn)矩從1.04Nm下降到0.2Nm。

定子開輔助槽結(jié)構(gòu)

槽口寬度優(yōu)化

定子槽口的存在是齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的主要原因,通常認(rèn)為,槽口寬度越小越好。對于整數(shù)槽電機(jī),通過有限元仿真分析,齒槽轉(zhuǎn)矩隨槽口寬度單調(diào)增加。對于分?jǐn)?shù)槽電機(jī)如12槽14極電機(jī),進(jìn)行有限元仿真分析,當(dāng)槽口寬度為3.45mm時(shí),齒槽轉(zhuǎn)矩約為槽口寬度2mm時(shí)的6%,約為槽口寬度4mm時(shí)的10%。對于分?jǐn)?shù)槽電機(jī),并非槽口寬度越小越好,存在可優(yōu)化的槽口寬度選擇。

無槽式繞組

最徹底而又簡單的方法是采用無槽式繞組結(jié)構(gòu)。電樞繞組有粘貼在光滑轉(zhuǎn)子表面的,也有做成動(dòng)圈式(moving coil)的,或者是盤式電機(jī)的印刷繞組(printed circuit winding),不管采用何種形式電樞繞組的厚度始終是實(shí)際氣隙的組成部分,因此無槽式電機(jī)的實(shí)際等效氣隙比有齒槽電機(jī)大得多,所需的勵(lì)磁磁勢也要大許多,這在早期限制了無槽電機(jī)的容量和發(fā)展。這塊國內(nèi)在很早確實(shí)已經(jīng)在研究和試制了,不過沒有聽說哪個(gè)公司有批量的產(chǎn)品。英國有一家專門做此種電機(jī)的公司,在一些航空領(lǐng)域應(yīng)用的比較多了。

審核編輯:彭菁

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原文標(biāo)題:齒槽轉(zhuǎn)矩的原因&如何削弱齒槽轉(zhuǎn)矩?

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