從轉(zhuǎn)矩波動角度探討集中繞組永磁電機電磁設(shè)計

王棟梁，陳維

（ 1.王棟梁 康力電梯股份有限公司，江蘇 蘇州 215211；2.陳維無錫中基電機制造有限公司，江蘇 無錫 214046 ）

從轉(zhuǎn)矩波動角度探討集中繞組永磁電機電磁設(shè)計

王棟梁1，陳維2

（ 1.王棟梁 康力電梯股份有限公司，江蘇 蘇州 215211；2.陳維無錫中基電機制造有限公司，江蘇 無錫 214046 ）

轉(zhuǎn)矩波動包括齒槽轉(zhuǎn)矩和紋波轉(zhuǎn)矩，是永磁電機的固有問題，其平均值為零，不會增加電機的平均轉(zhuǎn)矩，但會導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動、噪聲等影響并對電機的精確控制產(chǎn)生較大影響。

轉(zhuǎn)矩波動；集中繞組；永磁同步電機

0 引言

永磁同步電動機的定子繞組結(jié)構(gòu)具有分布式和集中式兩種，集中式繞組比傳統(tǒng)的分布式繞組有著更加明顯的優(yōu)點：線圈端部尺寸較短，減少繞組端部銅線的浪費，可使結(jié)構(gòu)尺寸更加緊湊；可自動繞線，工藝簡單，生產(chǎn)效率大大提高，實現(xiàn)大規(guī)模自動化生產(chǎn)。如今，關(guān)于分數(shù)槽集中繞組的關(guān)注度越來越高，在工業(yè)機器人、交通驅(qū)動等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，優(yōu)化電機的轉(zhuǎn)矩品質(zhì)變的尤為重要。

1 概述

電磁設(shè)計是一個以結(jié)果為導(dǎo)向的設(shè)計過程，需要從設(shè)計指標去不斷調(diào)整優(yōu)化設(shè)計的基本參數(shù)。電機運行的平穩(wěn)性是電動機（曳引機）的一個重要技術(shù)指標，而影響電機平穩(wěn)性的主要指標是轉(zhuǎn)矩脈動，轉(zhuǎn)矩脈動包括齒槽轉(zhuǎn)矩和紋波轉(zhuǎn)矩。本文通過36槽32極分數(shù)槽集中式繞組永磁同步電動機為例，利用有限元分析軟件進行仿真分析，在轉(zhuǎn)矩波動的角度研究某些參數(shù)來探討集中繞組的電磁設(shè)計。并用有限元仿真數(shù)據(jù)和樣機試驗進行驗證。

2 性能

2.1 槽口寬度對電機性能影響

2.1.1 對齒槽轉(zhuǎn)矩影響

齒槽轉(zhuǎn)矩是由齒槽和鐵芯磁阻變化引起的位力矩。傳統(tǒng)的分布式繞組的齒槽轉(zhuǎn)矩隨著定子槽開口寬度的減小而減少，但在分數(shù)槽集中繞組沖片設(shè)計中這個經(jīng)驗并不適合。由參考文獻（1）推導(dǎo)的集中繞組齒槽轉(zhuǎn)矩表達式：

式中

最低階齒槽轉(zhuǎn)矩對性能影響最明顯，公式簡化成最低階氣隙相對磁導(dǎo)與槽口寬度的關(guān)系：

圖1 槽口寬與齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

圖1所示，隨著槽口寬增大，齒槽轉(zhuǎn)矩會經(jīng)過0值，可見選擇適合的槽口寬度可以明顯減少齒槽轉(zhuǎn)矩，槽口寬度在7.8 mm時齒槽轉(zhuǎn)矩為0。但注意的是，過小會導(dǎo)致漏磁過多，過大又會使得齒部飽和嚴重。設(shè)計時還需要優(yōu)化槽口寬度與齒寬對于磁密值的取值。另外因沖片的加工導(dǎo)致的邊緣晶?；儗?dǎo)致磁性能改變，槽口寬實際選7.4 mm～7.6 mm較為合適。

圖2 有變量時槽口寬與齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

2.1.2 對其他性能參數(shù)的影響

圖3 槽口寬與電流、效率關(guān)系

圖4 槽口寬與齒磁密的關(guān)系

2.2 斜極寬度對電機性能影響

從傳統(tǒng)的分布式繞組斜槽減少轉(zhuǎn)矩波動的經(jīng)驗上看，是非常有效的措施，但隨斜槽寬度的增加電機的轉(zhuǎn)矩、功率、空載反電勢、效率下降，電磁損耗增加，所以斜槽的寬度需要在電機設(shè)計時應(yīng)綜合考慮，否則會影響到電機的整體性能。

如果采用集中繞組斜槽，工藝加工上很難達到定子斜槽，在集中繞組結(jié)構(gòu)中選用斜極的方案，使斜槽角度等效成斜極角度。通過有限元軟件對不同的斜槽模型進行分析，探討斜極在集中繞組中應(yīng)用的效果。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格整理得到以下數(shù)據(jù)圖5。

隨著斜槽數(shù)的增加，平均轉(zhuǎn)矩呈降低狀態(tài)，且有加速下降的趨勢，轉(zhuǎn)矩波動值在斜槽角度為1.8°時降至最低，之后保持不變?？紤]到斜槽對功率、效率、損耗等的影響，斜槽度為1.8°最為適合。斜槽等效成斜極時，同樣斜極角度也定義1.8°?？捎行У貙⒅辈蹠r6%的轉(zhuǎn)矩波動降低為3.2%。

圖5 斜槽角度與額定轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動的關(guān)系

3 試驗

將分析得到的結(jié)果，試制36槽32極分數(shù)槽集中式繞組永磁同步電動機樣機進行測試，樣機的試驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果吻合較好。電機振動試驗值為0.2 mm/s，小于國標要求的0.5 mm/s振動值。性能平穩(wěn)性良好，完全滿足電機運行要求，驗證了分析的正確性。

4 結(jié)語

本文以轉(zhuǎn)矩波動角度探討集中繞組電磁設(shè)計，通過公式和軟件有限元分析，提出齒槽轉(zhuǎn)矩與槽口寬和其他參數(shù)的關(guān)系，選擇合適的槽口寬度可以使齒槽轉(zhuǎn)矩接近于零，并且與永磁體厚度、氣隙長度、極弧系數(shù)沒有關(guān)系。槽口寬對電流、齒磁密影響也較為明顯，選取時要綜合考慮其影響。在傳統(tǒng)的分布式繞組中能較好抑制轉(zhuǎn)矩波動的斜槽方法，可在集中繞組中采用斜極等效，同樣使抑制轉(zhuǎn)矩波動效果明顯。

[1]莫會成.分數(shù)槽集中繞組永磁交流伺服電機齒槽轉(zhuǎn)矩分析[J].微電機.2011,44(8)；16-10.

[2]張琪.槽口跨度對分數(shù)槽集中繞組永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩的影響[J].電機與控制應(yīng)用,2015,42(7).

[3]陳薇薇.分數(shù)槽永磁同步電機性能的研究及其諧波分析. 微特電機及永磁電機技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展論壇論文集[C].西安,2012.

[4]唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社.1997.

[5]龔建芳.定子斜槽及非均勻氣隙對永磁同步發(fā)電機的性能影響[J].大電機技術(shù),2008,(04).

Discussion on the Electromagnetic Design of Permanent Magnet Motor with Concentrated Windings in Terms of Torque Ripple

Wang Dong Liang1, Chen Wei2
( 1.CANNY ELEVATOR CO.,LTD.,Jiangsu 215211, China; 2.Wuxi MCM Electric Machinery Co.,Ltd, Jiangsu 214046, China )

Torque ripple including cogging torque and ripple torque are inherent problems of permanent magnet motors Its average value is zero, which will not increase the average torque of the motor, but will cause the motor speed fluctuations, noise and other effects and has a great influence on the precise control of the motor.

Torque ripple;Concentrated winding;Permanent magnet synchronous motor

TM358

A

1674-2796（2017）04-0015-03

2017-01-10

王棟梁（1993—）男，大學本科，主要從事永磁同步電機研發(fā)設(shè)計工作。