1000kW變頻調(diào)速永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩分析

姜遠(yuǎn)遠(yuǎn)，崔煥志

（1.日照東方電機(jī)有限公司，山東 日照 276800；2.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819）

1000kW變頻調(diào)速永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩分析

姜遠(yuǎn)遠(yuǎn)1，崔煥志2

（1.日照東方電機(jī)有限公司，山東 日照 276800；2.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819）

基于1 000 kW變頻調(diào)速永磁同步電機(jī)定子開口槽，采用定子分?jǐn)?shù)槽和定子斜槽相結(jié)合的方法降低齒槽轉(zhuǎn)矩，通過有限元仿真驗(yàn)證以及鐵芯及線圈實(shí)例，證明該方法在實(shí)際制造及工藝過程中切實(shí)可行。

齒槽轉(zhuǎn)矩；永磁同步電機(jī)；斜槽；分?jǐn)?shù)槽

0 引言

隨著稀土永磁材料的快速發(fā)展，交流調(diào)速永磁同步電機(jī)在多種場(chǎng)合得到應(yīng)用，逐步呈現(xiàn)替代交流異步電機(jī)、電勵(lì)磁交流同步電機(jī)的趨勢(shì)。在永磁電機(jī)中，永磁體和有槽電樞鐵心的相互作用不可避免的產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁同步電機(jī)的特有問題之一，它使電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，通過轉(zhuǎn)軸將脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞給負(fù)載，降低系統(tǒng)的速度與位置控制的精確度。該現(xiàn)象在低速時(shí)尤為嚴(yán)重，因轉(zhuǎn)速波動(dòng)致使電機(jī)無法平穩(wěn)運(yùn)行從而影響性能，所以齒槽轉(zhuǎn)矩是高性能永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)和制造必須考慮和解決的關(guān)鍵問題。精確計(jì)算與有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩已成為多年來永磁電機(jī)研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)問題之一。

1 概述

電機(jī)氣隙內(nèi)的能量可表示為：

式中 —極對(duì)數(shù)

式中 —電樞槽數(shù)

在不考慮斜槽時(shí)，推導(dǎo)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：

2 方法

2.1 削弱方法

1)斜槽或斜極

定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極是抑制齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最有效且應(yīng)用廣泛的方法之一，該方法主要用于定子槽數(shù)較多且軸向較長的電機(jī)。

2)磁極分塊移位

由于轉(zhuǎn)子斜極致使成本快速增加，并且加工工藝也較復(fù)雜，應(yīng)用中往往采用磁極分塊移位法，由通過計(jì)算得到磁極極弧系數(shù)加以優(yōu)化，將數(shù)段分塊磁鋼沿周向錯(cuò)開一定角度安放以近似等效一個(gè)連續(xù)的磁極。

3)分?jǐn)?shù)槽法

此方法可以提高齒槽轉(zhuǎn)矩基波的頻率，使齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量明顯減少。但是，采用了分?jǐn)?shù)槽后，各極下繞組分布不對(duì)稱從而使電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩分量部分被抵消，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩也會(huì)因此而相應(yīng)減小。

4)磁性槽楔法

磁性槽楔是指在電機(jī)槽楔中均勻加入鐵粉等原料，固化后具有一定的導(dǎo)磁性能，采用磁性槽楔時(shí)減少了定子槽開口的影響，使定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙磁導(dǎo)分布更加均勻，可有效減小氣隙磁場(chǎng)波動(dòng)，進(jìn)而減小氣隙磁阻變化，減少由于齒槽效應(yīng)而引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

5)閉口槽法

定子槽不開口，槽口材料與齒部材料相同，槽口的導(dǎo)磁性能較好，故閉口槽比磁性槽楔更有效消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

6)優(yōu)化磁鋼設(shè)計(jì)

平行充磁情況下電機(jī)氣隙磁場(chǎng)和反電勢(shì)波形更接近正弦波，平行充磁對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響較??；電機(jī)極對(duì)數(shù)越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大；電機(jī)極弧系數(shù)越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小。

7)輔助凹槽法

加輔助凹槽的目的是減少主要的諧波分量，同時(shí)輔助凹槽本身會(huì)產(chǎn)生諧波，當(dāng)輔助凹槽產(chǎn)生的諧波與原定子產(chǎn)生的諧波同相位變化時(shí)，定位力矩升高；反之，定位力矩降低。

不同的削弱方法，對(duì)電機(jī)的制造工藝有不同的要求，本文以采用的定子分?jǐn)?shù)槽和定子斜槽相結(jié)合的方法進(jìn)行說明。

2.2 定子分?jǐn)?shù)槽

有限元仿真結(jié)果可見，分?jǐn)?shù)槽相對(duì)于整數(shù)槽來說對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩有明顯的削弱作用，但是本臺(tái)電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽后齒槽轉(zhuǎn)矩仍然較大，所以仍需通過其他途徑來改善齒槽轉(zhuǎn)矩。

2.3 定子斜槽

則齒槽轉(zhuǎn)矩為：

本臺(tái)電機(jī)在采用分?jǐn)?shù)槽（8極60槽）的基礎(chǔ)上，采用定子斜一個(gè)定子齒距，通過有限元進(jìn)行斜槽仿真。仿真結(jié)果見圖2，定子斜槽后轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值見表2。有限元仿真結(jié)果可見，齒槽轉(zhuǎn)矩已降至1 N·m以下，完全滿足工程需要。

3 制造

3.1 定子鐵芯

本臺(tái)電機(jī)定子采用開口槽，定子鐵芯在疊壓時(shí)難以控制斜槽角度。電機(jī)試制時(shí)，采用高速?zèng)_自動(dòng)斜槽功能，即沖制時(shí)自動(dòng)斜槽，疊壓時(shí)按正常方法疊壓，疊壓后鐵芯如圖3所示。

3.2 定子線圈

由于沒有專用的斜槽定子線圈拉型機(jī)，所以線圈需要手動(dòng)整形，整形后線圈如圖4所示。

4 結(jié)論

使用定子分?jǐn)?shù)槽和定子斜槽相結(jié)合的方法可有效減少齒槽轉(zhuǎn)矩，通過理論分析及有限元仿真對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法正確。通過鐵芯及線圈的制造，證明該方法在工藝上切實(shí)可行。

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Analysis of Cogging Torque of 1000kW Variable Frequency Speed Control for Permanent Magnet Synchronous Motors

Jiang Yuanyuan, Cui Huanzhi
(1.Rizhao Oriental Motor Co., LTD., Shandong 276800, China; 2.Dongbei University, Liaoning 110819, China)

The permanent magnet synchronous motor stator is based on 1000kW frequency control method of stator slots, while fractional slot stator and chute are combined to reduce the cogging torque. Respectively to verify by finite element simulation and through the example of iron core and coil, which proves the method is feasiblein actual manufacturing and process.

The cogging torque; Permanent magnet synchronous motor; Chute; Fractional slot

TM351

A

1674-2796（2017）02-0010-04

2017-01-09

姜遠(yuǎn)遠(yuǎn)(1990—)，男，大學(xué)專科，主要從事大中型永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作。