永磁同步電機齒槽轉矩控制

永磁同步電機齒槽轉矩控制

3降低齒槽偏轉和負載時的磁片分布通常，電機固定與旋轉之間為均勻氣界面，磁體下的氣界面磁密分布有許多聲波。當磁體中心的氣界面變大時，磁體中的氣界面小，磁體下的氣界面磁密分布接近正根波，這有助于減少齒槽旋轉和負載時的旋轉紋波。例如,多極電機采用表面粘結磁片結構時,每個磁片截面可設計為面包形,它與定子鐵心間形成不等氣隙,見圖8。截面形狀經(jīng)優(yōu)化,如圖9所示。與原來的均勻氣隙相比,不等氣隙的齒槽轉矩可降低約50%。圖中橫坐標是轉角與槽距之比,表示在一個槽距內槽轉矩變化波形。最小氣隙/最大氣隙比建議取2左右。4轉子磁極分段錯位方法如前所述,轉子每一轉出現(xiàn)的齒槽轉矩基波周期等于定子槽數(shù)Z和極數(shù)2p的最小公倍數(shù)Nc,即一個齒槽轉矩基波周期對應的機械角θ1=360°/Nc。因此,如果定子鐵心斜槽角或轉子磁極斜極角θsk和它相等,即可消除齒槽轉矩的基波。θsk=360/Nc看一個整數(shù)槽的例子。一臺Z=18、2p=6、q=1的整數(shù)槽電機,有Nc=Z=18。按上式,斜槽角度θsk為20°,即定子斜一個槽距,或轉子斜極20°,見圖10(a),即可消除基波齒槽轉矩。但要指出的是,它同時會使反電勢和輸出電磁轉矩有所下降,而且,定子斜槽或轉子斜極在電機繞組通電時,會產(chǎn)生附加的軸向力。軸向力大小與斜槽角度有關。為了制造上容易實施,可采用轉子磁極分段錯位方法近似斜極的效果,如圖10(b)所示。該圖是分段數(shù)Ns=3的情況。每段錯移角度θss表示為:θSS=θSKNs=360NcNSθSS=θSΚΝs=360ΝcΝS為了了解轉子磁極不同的分段數(shù)Ns對降低齒槽轉矩的效果,文獻用有限元方法進行分析計算,結果見圖11。如圖所示,隨著分段數(shù)Ns增加,齒槽轉矩的幅值逐步降低,而且當分段數(shù)Ns分別為2、3、4時,剩余的齒槽轉矩變化次數(shù)增加,主要是2、3、4次諧波。從本實例可見,轉子磁極分4段時降低齒槽轉矩的效果已經(jīng)很好,分段數(shù)為5時,齒槽轉矩已經(jīng)完全可以忽略了。再來看分數(shù)槽情況。如前面分析,如果分數(shù)槽集中繞組的每相每極槽數(shù)q表示為:q=c/d,則Z和2p的最小公倍數(shù)Nc=dZ。斜槽角θsk與q值關系一些例子如表7所示。斜槽角θsk與q值關系的一般表達式為:θsk=360dZ(11)θsk=360dΖ(11)上式表明,對于分數(shù)槽電機,采用定子斜槽或轉子斜極方法降低齒槽轉矩時,定子斜槽角或轉子斜極角比整數(shù)槽電機小了許多,小于一個定子槽距角,它們和q值有關,只需一個定子槽距角的1/d即可。所以從斜槽工藝角度看,分數(shù)槽也是較好的選擇。從這個結論也可以引伸得:對于q有較大d值的分數(shù)槽集中繞組電機,定子直槽時的齒槽轉矩已經(jīng)不大了,甚至沒必要采取定子斜槽角或轉子斜極方法就能夠適應大多數(shù)應用的要求。5基波齒槽轉速加噪聲仿照上節(jié)所述,沿著軸向分段磁極錯位的思路,為了削弱齒槽轉矩,對于表面粘貼磁片多極電機,將2p個磁極片從原來均布位置改為沿圓周方向偏移。它們的偏移角分別為θshj:θshj=360(j?1)2pNcj=1,2,?,2p(12)θshj=360(j-1)2pΝcj=1,2,?,2p(12)這樣做相當于在一個基波齒槽轉矩周期內有分段磁極2p段,這樣,除了2p次及其倍數(shù)次諧波外,其他齒槽轉矩都得到削弱。由于諧波次數(shù)越高幅值越小,所以總齒槽轉矩得到削弱。在布置2p個磁極時,不必一定按j的自然數(shù)順序,可以靈活安排:一方面要顧及空間位置可能性,另外是考慮磁極偏移可能引起轉子的不平衡問題,參見第8節(jié)第一個實例。這個方法對于嵌入式轉子也是可行的。圖11給出一個4極24槽例子。該例,最小公倍數(shù)Nc=24,基波齒槽轉矩周期就是一個槽距15°,如圖12(a)所示。采用磁極偏移后,總齒槽數(shù)矩幅值從0.2N·m降到約0.02N·m,電機的額定轉矩為10N·m。而且,如上所述,齒槽轉矩變?yōu)橐?p次、即4次諧波為主。從圖12(b)的磁通分布圖可見,4個磁極的邊沿分別對應于鐵心齒下的不同位置。6齒冠開溝槽對反電勢的影響為了降低齒槽轉矩,在定子鐵心每個齒冠開輔凹槽是一種簡單而有效的方法。限于齒冠空間,所開凹槽數(shù)Nn常在1或2中選擇。如圖12的示例,一臺6齒的定子鐵心,每個齒的齒冠上開1或2個凹槽,從磁導變化角度看,相當于槽數(shù)由6變?yōu)?2或18,隨之,齒槽轉矩次數(shù)增加,其幅值也就下降。例如,Z/2p=18/12電機,其基波齒槽轉矩周期數(shù)等于定子槽數(shù)18和極數(shù)12的最小公倍數(shù)36。如果在齒冠開2個凹槽,相當于槽數(shù)由18變?yōu)?8×3=54,此時,其基波齒槽轉矩周期數(shù)等于54和12的最小公倍數(shù)108,是原來次數(shù)的3倍。文獻用有限元法對一臺Z/2p=18/12電機齒槽轉矩進行分析。齒冠無凹槽(Nn=0)和開2個凹槽(Nn=2)的齒槽轉矩分析結果見圖14。后者與前者相比,齒槽轉矩周期數(shù)增加到3倍,其幅值也下降約3倍。文獻分析了一臺Z/2p=6/4電機,利用Ansoft電磁場計算軟件計算了齒冠開1個和2個凹槽的齒槽轉矩。當齒冠開1個凹槽時,基波齒槽轉矩周期數(shù)和未開凹槽時一樣,仍然是12,當齒冠開2個凹槽時,基波齒槽轉矩周期數(shù)增加到36,因此認為開2個凹槽比開1個凹槽作用明顯。計算表明,當齒冠開2個凹槽(槽寬2.5mm,深1mm),和未開凹槽相比,齒槽轉矩幅值從1.04N·m減低到0.2N·m,下降約5倍,而齒冠開凹槽后氣隙磁導的減少不大,所以對反電勢的影響不大。對所研究的電機計算結果,反電勢幅值僅降低2.45%。該文還研究了凹槽的槽寬和槽深影響。方形凹槽的槽寬取原來鐵心的槽口寬為最佳值,得到最低齒槽轉矩。隨著凹槽深的增大,齒槽轉矩下降,當深度到達某一個(1mm)后,變化就很小了。上述是理論分析結果,下面列舉筆者開發(fā)的兩種高速無刷直流電機的實際數(shù)據(jù),顯示了齒冠開凹槽降低齒槽轉矩效果。例1,24BLS03分數(shù)槽繞組電機,Z/2p=6/4,q=1/2。兩個樣機的實測數(shù)據(jù)比較,未開凹槽樣機,基波齒槽轉矩周期數(shù)12,實測基波齒槽轉矩幅值4.5mN·m。齒冠開1個凹槽方案,齒槽轉矩周期數(shù)和未開凹槽的一樣,仍然是12,但實測齒槽轉矩幅值降為2.4mN·m,兩者相比降低約1.9倍。例2,一臺BL2807分數(shù)槽繞組電機,Z/2p=9/6,1=1/2。兩個樣機的實測數(shù)據(jù)見表8。未開凹槽樣機,基波齒槽轉矩周期數(shù)18,實測基波齒槽轉矩幅值24mN·m。齒冠開1個凹槽方案,齒槽轉矩周期數(shù)和未開凹槽的一樣,仍然是18,但實測齒槽轉矩幅值降為2.06mN·m,有了明顯下降,兩者相比降低約12倍,而且,后者的空載電流減少,空載轉速還稍有提高。7槽口寬度與齒槽扭矩基波關系既然定子鐵心槽口的存在是齒槽轉矩產(chǎn)生的主要原因,通常認為槽口寬度宜取較小為好。先看一個整數(shù)槽電機例子。文獻對一臺槽數(shù)為24、極數(shù)為4、q=2、定子內徑70mm的整數(shù)槽電機進行不同槽口寬度的有限元分析,得到該電機的槽口寬度與齒槽轉矩峰值的關系。計算結果如圖15所示。當槽口寬度從4.6mm(槽口系數(shù)0.5)逐漸向零變化時,齒槽轉矩從高值單調下降到零。這里,槽口系數(shù)是槽口寬和槽距之比,槽距為70π/24=9.16mm。最后,限于工藝考慮,取槽口寬度2mm(槽口系數(shù)0.22),此時的齒槽轉矩約為槽口寬度4.6mm時的35%。再看一臺分數(shù)槽電機的例子。文獻對一臺槽數(shù)為12、極數(shù)為14、q=2/7、定子內徑69mm的分數(shù)槽電機進行了槽口寬度與齒槽轉矩峰值關系的有限元分析,計算了該電機的槽口寬度為6、5、4、3、2mm時的齒槽轉矩波形,發(fā)現(xiàn)齒槽轉矩峰值不是單調變化的,認為在3～4和6～7之間存在低值,進一步分析得到最小值發(fā)生在3.45mm處,此時的齒槽轉矩約為槽口寬度2mm時的6%,約為槽口寬度4mm時的10%。這個例子表明,對于一些分數(shù)槽電機,并非槽口寬度越小越好,存在可優(yōu)化的槽口寬度選擇。和整數(shù)槽電機中平均一個槽距只含一個齒槽轉矩基波不同,如上述分數(shù)槽電機的例子,每一轉齒槽轉矩基波周期數(shù)是84,平均一個槽距內包含7個齒槽轉矩基波周期,一個齒槽轉矩基波周期只有69π/84=2.58mm,所以槽口寬度變化的影響就很明顯。從文獻給出的槽口寬度接近優(yōu)化值3.45mm時的齒槽轉矩波形可以看到主要是呈現(xiàn)為二次波,即其齒槽轉矩基波已經(jīng)被明顯抵消了。8優(yōu)化極弧系數(shù)技術文獻給出一個槽數(shù)為24、極數(shù)為4、q=2整數(shù)槽電機例子。原設計表面粘貼磁片,磁片極弧角120°(電氣角),鐵心為直槽,槽口寬度2mm,氣隙1mm,繞組短距5/6。為降低齒槽轉矩,分別對多個設計改進措施進行分析,采用有限元法計算若干性能指標結果見表9。分數(shù)槽方案,維持極數(shù)為4,將槽數(shù)改為18,q=3/2。分析結果齒槽轉矩約降低一半。最有效的措施是采用斜極,斜一個槽距,可降低齒槽距99.9%;但是它同時會使反電勢和負載轉矩明顯下降,而且增加了制造難度,不準備采用。對優(yōu)化極弧系數(shù)進行分析,結果如圖16所示。若采用極弧角126°(電氣角)為優(yōu)化極弧尺寸,齒槽轉矩約降低82%,反電勢總諧波失真約降低2/3,但轉矩紋波改善不大。另外一個方法是磁極偏移。磁極間基本偏移角θ0=360/2pZ=3.75°,4個磁極間依次偏移角取為0°,2θ0=7.5°,3θ0=11.25°,θ0=3.75°。這樣布置目的是使因磁極偏移產(chǎn)生的轉子重心偏移減到最小,經(jīng)過計算只有0.0034mm,不平衡很小。這個辦法使齒槽轉矩和轉矩紋波得到明顯的改善。最后,綜合采取了磁極偏移和優(yōu)化極弧系數(shù)技術措施,性能指標全面得到提高,見表9。另外一個是關于分數(shù)槽電機的例子。美國著名電機制造商艾默生電氣公司為汽車電動轉向系統(tǒng)(EPS)設計永磁無刷電動機,并申請了國際專利。據(jù)稱,該專利設計的永磁無刷電動機具有低齒槽轉矩、低轉矩紋波、高轉矩密度和較低成本的特點,主要采取了以下設計措施并申請了專利保護:1)過去生產(chǎn)的EPS無刷電動機常取q=1/2(例如槽數(shù)/極數(shù)=6/4,12/18或18/12),或q=1(例如36/12)。該專利采用q=2/5、槽數(shù)為12、極數(shù)為10的分數(shù)槽集中繞組設計;2)轉子磁體截面為面包形,形成不等氣隙,最大氣隙/最小氣隙比1～2.5;3)轉子磁體極弧角31°～35°,極弧系數(shù)為0.86～0.97;4)定子槽口寬/最大氣隙比≤1;5)轉子斜極或分段斜極,分段數(shù)取2或更多。9降低永磁無刷直流電機的齒槽合電機轉矩波動的原因除了齒槽轉矩外,還應考慮到其他原因引起的磁阻轉矩和負載時產(chǎn)生的電磁紋波轉矩。上述一些措施在降低齒槽轉矩