永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩研究

申爽

摘要：隨著永磁材料性能和電氣控制技術的發(fā)展，永磁電機在電梯行業(yè)的使用成為主流，然而永磁體與有槽定子鐵心之間會產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，因此齒槽轉(zhuǎn)矩作為永磁電機特有的問題之一越來越被關注，因為齒槽轉(zhuǎn)矩會引起電機振動，影響電梯的舒適度，傳統(tǒng)的永磁同步電機定子齒槽使用一體式?jīng)_片疊裝，新型的電機定子使用單個槽型進行拼接，采用此種設計一方面是為了使工藝可以簡單化一點，另一方面也是為了提高電機的功率系數(shù)，但是拼接處會出現(xiàn)縫隙，影響到同步電機齒槽轉(zhuǎn)矩的變化，因此為了尋找最優(yōu)的拼接槽型，文章研究了定子拼接槽型對永磁同步電機齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。

關鍵詞：永磁同步電機；齒槽轉(zhuǎn)矩；拼接形狀；有限元法

1 前言

隨著市場的需求，永磁同步電機的功率被要求越來越高，一體式的電機結構目前應用最為廣泛，這樣的電機需要的原材料面積是很大，材料的利用率不是很高，因此產(chǎn)生不少邊角料，導致制造的成本高，還有受定子繞組嵌線工藝的影響，必須設計合適的定子槽口尺寸，因此為了滿足這些要求進行定子齒槽拼裝永磁同步電機槽轉(zhuǎn)矩的研究。

2 定子拼裝結構

拼裝定子有兩種結構，一種是有拼接槽的，拼接面向上并且向內(nèi)還設置有拼接片，另一種也有拼接片不過是向外的。沖片的圖形比較固定就是工字扇環(huán)形。多組定子疊片可以形成一個圓環(huán)形電機定子，首尾相連的兩個接片是拼接槽和拼接片。拼接槽的形狀是多種多樣的，拼接片也如此，因此定子沖片的形狀也是多種多樣的，需要根據(jù)不同的使用條件進行選擇，定子沖片形狀決定因素有應用場合，還有就是工藝水平。不同的定子沖片形狀決定著不同的加工難度，因此T型沖片和梯形沖片因為加工難度系數(shù)比較低就常常被選用。

3 齒槽轉(zhuǎn)矩表達式

齒槽轉(zhuǎn)矩是在電機不通電的情況下，鐵芯和永磁鐵之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，主要產(chǎn)生原因就是互相作用力的切向分量引起，齒槽轉(zhuǎn)矩的表達式是一種角的負導數(shù)，這個角表示定轉(zhuǎn)角的位置，磁場能量的表達式是在電機不通電的前提下根據(jù)齒槽定義的。電機內(nèi)儲存的能量計算方法是求和，包括永磁鐵中的能量，還包括電機氣隙中儲存的能量，但是這種計算能量的方法也只是一個近似值，計算能量總和的前提條件是電樞鐵芯的磁導率無窮大。磁場的能量由很多的因素決定，定轉(zhuǎn)子的相對位置、永磁體的性能以及電機的結構等，根據(jù)這些特性就能夠推導出來齒槽轉(zhuǎn)矩的表達式了。表達式需要包含的參數(shù)有定轉(zhuǎn)子相對位置變化的范圍、表示整數(shù)的字母、分解系數(shù)（氣隙磁密平方中的）、真空磁導率、定子軛內(nèi)半徑、電樞外半徑等，這些參數(shù)綜合在一起就可以表示轉(zhuǎn)矩的變化周期。永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密平方傅里葉分解系數(shù)就是因為齒槽作用產(chǎn)生的。但是不是所有的分解系數(shù)都是由于齒槽轉(zhuǎn)矩作用產(chǎn)生的，與次諧波的含量還是有關系的。諧波的含量隨著諧波次數(shù)的增加而減少，較低次諧波受齒槽轉(zhuǎn)矩的氣隙磁密影響。

4 拼接槽形對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

在研究拼接槽形對齒槽轉(zhuǎn)距的影響時，主要以定子軛部的不同形狀為參考依據(jù)，表貼式永磁鐵的主要參數(shù)有定子外徑、定子內(nèi)徑、轉(zhuǎn)子最大外徑、轉(zhuǎn)子最小內(nèi)徑、最小氣隙長度、最大氣息長度、定子軛部寬度、定子齒部寬度、磁鋼厚度、軸外徑、輸出轉(zhuǎn)矩等。現(xiàn)在的電機工藝制作水平還不夠高，有時會出現(xiàn)二次氣隙，主要位置在拼裝后的定子軛部，而且并不是小段的氣隙，是一段距離的。電機的齒槽轉(zhuǎn)矩回收氣隙的形狀和大小影響，氣隙的長度需要測量有效的長度，有時比較長，就要提前進行簡化，這樣既使計算方式簡便了，氣隙長度計算的數(shù)值也更加準確了。主要諧波階次對齒槽的轉(zhuǎn)矩起到的作用是用來定性的，想要利用解析方法來測量，還是要參考氣隙磁密平方傅里葉的分析法。定子沖片的形狀是多種多樣的，計算方法最常用的就是有限元法，為了更加謹慎的進行計算，最常選用的就是梯形的定子沖片，由于齒槽的轉(zhuǎn)矩幅度是不同的，因此要將定子結構電機進行原始數(shù)據(jù)對比。氣隙的最小長度往往是只有0.05毫米，拼接片與拼接槽之間的模型采取的是有限元法，但是由于各種因素限制，氣隙長度不能夠變得更小，因為拼裝時或產(chǎn)生很多的意料之外的誤差，機電制作過程還會產(chǎn)生很多工藝的變形問題。在拼接槽時能夠使用的最優(yōu)的拼裝式永磁同步電機齒槽轉(zhuǎn)矩拼接方法就是在進行仿真模擬時選擇有限元法進行拼接。

一般情況下，橫向磁通永磁電機當中的永磁體磁極的尺寸相對比較小。因此，合理、科學地確定永磁體的軸向長度與磁極間距對提升永磁體的利用效率與提高電機性能具有十分重要的意義。

主磁通并不是簡單的隨著永磁體軸向長度的增長而持續(xù)攀升，而是在磁極間距大于永磁體軸向長度4mm的時候，出現(xiàn)了其最高值。而后，永磁體軸向長度減短，主磁通出現(xiàn)加速下降的趨勢。

這就是選擇、確定永磁體軸向長度、磁極間距的理論基礎與依據(jù)。但在具體實施過程中，若永磁體的軸向長度太短，會導致電機電感增加，嚴重影響換向。與此同時，還增加了加工難度，顯著降低了機械的強度。因此，在具體設計過程中，應當使永磁體軸向長度盡量與磁極間距相接近，但是永磁體的軸向長度值不能過小。

在永磁體的磁極間距、電機極對數(shù)被確定的情況下，齒寬會對電機漏磁產(chǎn)生影響。一方面，若齒寬太小，會導致主磁極出現(xiàn)漏磁的現(xiàn)象；另一方面，若齒寬太大，將加重周邊磁極對主磁極產(chǎn)生的不利影響。由此可見，合理選擇并確定齒槽寬度對有效減少電機磁漏率、提升永磁利用效率具有至關重要的作用。

齒槽寬度值接近于永磁體寬度值的時候，主磁通出現(xiàn)峰值。其他尺寸磁極計算，結論與之相同。由此可見，在進行分析、設計的時候，應當盡量保持齒槽的寬度同永磁體的寬度一致，從而最大化的提升永磁體的利用效率與質(zhì)量。

5 結束語

綜上所述，文章是將一體式定子永磁電機和拼裝式定子永磁電機互相比較的，對于軛部的不同種拼接類型進行比較，在分析各種理論研究時主要是根據(jù)有氣隙的形狀和大小決定，盡可能的讓機械能夠更加簡便的運行。電機的齒槽轉(zhuǎn)矩并不是越大越好，而是要盡可能地減小影響性能的參數(shù)，以便進一步提升工程的參數(shù)。

參考文獻

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