1、 2008年1 1月 第1 1期(总第120期) 广西轻工业 GUANGJ0I瓜NAL 0F LIGHT INDusTRY 机械与电气 斜槽对永磁无刷直流电机齿槽转矩的影响 张颖 (1江苏食品职业技术学院，江苏淮安22300l：2东南大学，江苏南京210096) 【摘 要】 齿槽转矩是由永磁体磁场与磁槽之间相互作用而产生的，它会引起转矩脉动，甚至可能发生与电机共振 的现象。影响齿槽转矩的因素很多，如磁极、槽的数量，齿槽形状以及磁钢的极弧系数等等，因此，准确计算齿槽转矩较为复 杂。利用麦克新韦张量法计算和分析斜槽对齿槽转矩的影响，为永磁无刷直流电机设计提供理论参考。 【关键词】齿槽转矩；麦克斯韦
2、张量；永磁无刷直流电机 【中图分类号】TM351 【文献标识码】A 【文章编号】10032673(2008)113802 1引 在不同文献中，定位力矩有不同名称，如齿槽定位力矩、齿 槽转矩、磁阻转矩等，国外文献均称为Cogging torque。定位力 矩是永磁电机的固有现象，它是在电枢绕组不通电的状态下， 由永磁体产生的磁场同电枢铁心的齿槽作用在圆周方向产生 的转矩，又称齿槽定位力矩。它的产生来自于永磁体与电枢齿 之间的切向力，使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向 与定子对齐的趋势，由此趋势产生的一种振荡转矩。它仅与转 子的结构尺寸、定子齿槽的结构尺寸有关，而与绕组如何放置 在槽中和各相
3、绕组中馈人多少电流等因素无关。 定位力矩对电机的影响，在于定位力矩会使电机转矩波 动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能。同时使电机产生振 动和噪声。在变速驱动中，当转矩脉动频率与定子或转子的机 械共振频率一致时，定位力矩产生的振动和噪声将被放大。定 位力矩的存在同样影响电机在速度控制系统中的低速性能和 在位置控制系统中的高精度定位，随着性能更好的永磁体的日 益广泛使用，定位力矩的问题更加突出。 本文提出采用在永磁无刷直流电机定子表面开槽的方法， 来减小齿槽转矩。文中根据Maxwell张量法，使用有限元法计 算和分析定子齿表面开槽对齿槽转矩的影响。 2 齿槽转矩的仿真 以一台24槽4极永磁无刷
4、直流电动机为例，取整个电机 横截面作为求解域，主要参数如下：额定输出功率：P =500W； 额定转速n=3OOOrmin；电枢外径：D =12em；电枢内径： Di=71em；电枢长度：L。=6em；气隙长度：8：O8ram；磁钢厚度： hM=37ram。 现应用Ansofl有限元软件进行有限元分析，建立电机模 型如图1 图1筒化的24槽4极电机截面图 【作者简介】张颖，硕士，江苏食品职业技术学院讲师。 38 对该台样机进行有限元仿真，分析计算定位力矩，得到图2 所示定位力矩的波形。 图2 24槽4极电机的定位力矩 由图2可见，这台电机齿槽转矩的幅值是O79Nm，齿槽转 矩脉动较大。它会使电机
5、产生振动和噪声，出现转速波动，影响 电机的运行性能。减小齿槽转矩的方法主要有定子斜槽或转子 斜磁极、减小定子槽开口宽度、改变极弧系数、移转子磁极、定 子齿开槽、定子采用分数槽、改变磁钢磁化方向和冲片表面加 辅助凹槽等等。 本文主要研究了永磁无刷直流电机斜槽对齿槽转矩的影 响。 3 斜槽对齿槽转矩的抑制 31斜槽对定位力矩的抑制的原理 定位力矩可以用一个通式表示口： Tc= KTisiniNc 0 (1) 式中：N 槽数Qs和极数2p的最小公倍数； 0定子和转子问的机械角度； 斜槽因数； KsK= 式中： 斜槽的角度。 由式(1)和(2)可以看出，斜槽或者斜磁极都能减小定位 力矩。当定位力矩的基
6、波和谐波次序是极数和槽数最小公倍数 的整数倍时，定位力矩将减少至零，如式(3 o ：任意整数 (3) 0 减小定位力矩的最佳斜槽角度是： ： K：l，2， (4) 、c US 例如：Q 2p=244，最佳斜槽是一个槽距，因为N Q =1， o【 =1。而Qs2p=64，最佳斜槽是1个或半个槽距，因为N ， ：2，d sK=O5或1。 对直槽电枢，所有的冲片排列相同，对同一时间同一机械 角度8，定位力矩相同，最大定位力矩就是所有冲片在转轴方 向的总和，为一条水平直线。对于斜槽电机，定位力矩曲线向右 偏移一个角度，总的定位力矩在图中不再为一条水平直线，而 是一条曲线，其下包含的面积更小，这就直观解
7、释了为什么斜 槽电机令定位力矩减小的原因。 为了减小由齿谐波引起的转矩纹波，提高电动机的运行性 能，如电动车用永磁电动机的电枢通常采用斜槽式结构。对于 直槽式电动机，尤其是高转矩、低转速的多极电动机，由于其磁 路比较短，端部漏磁也相对较小，因此采用二维有限元法来分 析电机的磁场和参数，既可获得较高的计算精度，又可避免因 求解三维磁场所带来的困难。但是，当电枢为斜槽结构时，沿电 机轴向的不同截面上磁场的分布是不同的，采取分段计算法计 算定位力矩，可获得满意的结果。 分段计算法的过程如下：沿电机轴向平均分成若干段，在每 一小段中假设电枢槽为直槽，采用二维有限元法分别计算每一 段的定位力矩，再对各段
8、计算结果取平均值，轴向分段数越多， 计算精度越高。 32仿真研究 对一台24槽4极永磁无刷直流电机，斜槽75。和斜槽 I5。进行分析，并利用分段计算法，分别对2段、3段、4段和5 段进行有限元分析13一。 综合有限元仿真结果，得到斜槽75。不同分段数的定位 力矩。如图3。 图3不同分段数的定位力矩仿真结果的比较 由此可见，定位力矩的幅值可以抑制到042Nm，且增加分 段数对定位力矩的抑制作用不是很明显。所以当定子斜槽 75。时，定位力矩并未得到很好地抑制。 下面对定子斜槽1 5。进行分析，仍然利用分段计算法，综 合有限元仿真结果，得到斜槽15。不同分段数的定位力矩。如 图4。 图4不同分段数的
9、定位力矩仿真结果的比较 由有限元分析结果可见，当4极24槽永磁无刷直流电机 斜槽15。，分五段时，定位力矩的幅值是0014Nm，可见对定 位力矩的抑制作用是非常明显的。所以对4极24槽永磁无刷 直流电机的最佳斜槽是一个定子槽矩，即机械角度15。 如图6，对同一电机不同分段数时的定位力矩的有限元计 算结果的比较，可见分段数越多，定位力矩计算精度越高。 4结论 本文从斜槽对定位力矩的抑制原理人手，研究了永磁无刷 直流电机斜槽对定位力矩的影响。通过实例，利用有限元的方 法仿真得到了最佳斜槽角度。仿真结果表明，对该电机，斜槽 15。，对定位力矩的抑制作用是非常明显的。这些为永磁无刷 DC电机的设计提供
10、了理论参考。 参考文献 【1张琛直流无刷电动机原理与应用【M】北京：机械工业出版社，1996 2zQZhu，DHoweInfluence of design parameters 0n cogging torque in permanent magnet machines D】IEEE Transactions，2000，4 (1 5)：40741 2 【3】乔静秋，陈旭东，陈立铭直槽与斜槽式永磁无刷直流电机的有限元分 析】_电机与控制学报，2001，5(4)：229-232 4j乔鸣忠，张晓锋，李槐树考虑定子斜槽及转子运动永磁推进电机反电 势及定位力矩的数值计算0】武汉理工大学学报(交通科学
11、与工程版)， 2004，28(5)：64564 (上接第35页) 异常，自动联锁停机信号进入PLC后，故障设备和其前端设备 了锅炉效能，取得了良好经济效益，压榨抽出率从954提高 将自动停机，并发出报警信号，其后续设备按照控制逻辑继续 到960以上，节省了压榨间电耗，也提高了设备安全率和经 运行。 济效率。 2使用效果 本项目于2001年11月5日开榨时投入使用，已正常使 用到现在，压榨自动化优势凸显，到目前为止，日榨量从最高 8000吨提高到15000吨，榨机电机、调速器功率等均已加大， 但PLC及各检测元件都没有改变，各项指标已达到或超过了 设计要求，高位槽自动控制充分发挥了压榨机的效能，使压榨 处理甘蔗量满足生产要求，降低了能耗，稳定了蔗渣水份，提高 参考文献 (1】张劲顺，谢汝生，严文斌糖厂蔗层厚度自动控制系统的开发和应用们 电子技术应用，2001，(1) 2黄文汉糖厂压榨生产线P L c集中控制系统设计1_大众科技，2005， (5) 【3】闵亚光，马孝骞等压榨自动化控制系统在糖厂中的应用盯】广西蔗糖， 2004，(1) 39
