永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩分析研究

李 寧 任麗君 吳文賢

（1.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070；2.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點實驗室 珠海 519070）

引言

永磁電動機是有別于傳統(tǒng)電勵磁電動機的新型電動機。目前，永磁電動機發(fā)展很快，它具有功能密度高、效率高、轉(zhuǎn)矩大，并且功率因數(shù)也較高[1]。齒槽轉(zhuǎn)矩是定子鐵芯的齒槽與轉(zhuǎn)子永磁體相互作用而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩是電機本身的輸出性能穩(wěn)定性的一項重要參數(shù)。

齒槽轉(zhuǎn)矩是引起永磁電機振動和噪聲的原因之一，影響永磁電機的高效運行，電機優(yōu)化設(shè)計的一個主要目標(biāo)就是有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩幅值，提高電機性能[2]。因此關(guān)于齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機理、計算方法及削弱措施一直是研究熱點。

目前一般談及齒槽轉(zhuǎn)矩均設(shè)定為等電樞（定轉(zhuǎn)子等高）模型探討，而實際電機產(chǎn)品中，為了獲得更高的性能，電樞往往是不等高的，本文主要探究不等高電樞下齒槽轉(zhuǎn)矩隨不等高程度的變化情況，為今后永磁電機電樞更合理設(shè)計提供一定參考。

1 原理與方法

1.1 原理

永磁電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩定義為電機不通電時的磁場能量W相對于位置角α的負(fù)導(dǎo)數(shù)[3]，即:

式中：

Tc—電機的齒槽轉(zhuǎn)矩；

W—電機的磁共能；

α—永磁體轉(zhuǎn)子位置角。

齒槽轉(zhuǎn)矩其本質(zhì)為磁阻變化產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。結(jié)合實際永磁電動機方案，設(shè)計制定了不同程度的不等電樞結(jié)構(gòu)方案，通過不等高比值K（轉(zhuǎn)子高/定子高）由低到高的變化，使用仿真與實測兩種方式來觀察齒槽轉(zhuǎn)矩的變化情況。

1.2 方法

使用Ansoft軟件的Maxwell模塊進(jìn)行齒槽轉(zhuǎn)矩三維仿真。電機電樞為不等高結(jié)構(gòu)，二維仿真僅能適用等電樞結(jié)構(gòu)，因此使用三維來仿真電機實際不等電樞的理論齒槽轉(zhuǎn)矩從原理上來說應(yīng)與實際更為接近。

2 仿真與實驗

2.1 仿真

以現(xiàn)有12S8P永磁電動機為原型，設(shè)計不同定轉(zhuǎn)子高度差的方案，根據(jù)以下不同K值來進(jìn)行仿真掃描。如表1數(shù)據(jù)。

表1 K值設(shè)計表

使用三維制圖軟件構(gòu)建對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，之后將模型導(dǎo)入有限元Ansoft分析軟件的Maxwell模塊進(jìn)行齒槽轉(zhuǎn)矩三維仿真。

根據(jù)12S8P電機齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理，其每機械周期內(nèi)將產(chǎn)生槽數(shù)和極數(shù)的最小公倍數(shù)個齒槽周期數(shù)。根據(jù)不同方案建立的模型仿真結(jié)果匯總?cè)绫?。

表2 仿真結(jié)果匯總表

表2可看出，在轉(zhuǎn)子/定子比值K （等電樞）趨近1時，其齒槽轉(zhuǎn)矩及單位高度齒槽轉(zhuǎn)矩均相對較小，在比值K超過1后，齒槽轉(zhuǎn)矩均不同程度的變大。尤其是當(dāng)K值達(dá)到2.75時，齒槽轉(zhuǎn)矩明顯上升，說明不等電樞情況下齒槽轉(zhuǎn)矩由磁密引起的變化要大于由電樞長度所引起的變化。

圖1 仿真模型圖

仿真K值波形如圖2～8。

圖2 K=0.972仿真結(jié)果

圖3 K=1.222仿真結(jié)果

圖4 K=1.4仿真結(jié)果

圖5 K=1.667仿真結(jié)果

圖6 K=1.76仿真結(jié)果

圖7 K=2.188仿真結(jié)果

圖8 K=2.75仿真結(jié)果

觀察單位高度的齒槽轉(zhuǎn)矩值，可看出定子高度在下降后，單位高度齒槽轉(zhuǎn)矩值反而在上升，因此猜測及上升原因可能與定子鐵芯的磁飽和程度相關(guān)，說明在永磁磁通近似時，由于氣隙磁阻的差異較大，從而導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩變化同樣明顯，在不等電樞情況下齒槽轉(zhuǎn)矩大小與磁密（氣隙磁阻）關(guān)系密切。

齒槽轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子/定子比值K的變化線見圖9。

圖9 仿真曲線變化圖

2.2 實驗

根據(jù)不同K值的定轉(zhuǎn)子方案進(jìn)行樣機準(zhǔn)備，并進(jìn)行齒槽轉(zhuǎn)矩的測試見圖10。

圖10 樣機圖片

不同方案測試結(jié)果匯總?cè)绫?。

表3 實測結(jié)果匯總表

觀察實測數(shù)據(jù)，與仿真數(shù)據(jù)類似的是，在磁瓦/鐵芯比值K（等電樞）趨近1時，其齒槽轉(zhuǎn)矩及單位高度齒槽轉(zhuǎn)矩均相對較小，在比值K超過1后，齒槽轉(zhuǎn)矩同樣不同程度的變大。當(dāng)K值達(dá)到2.75時，齒槽轉(zhuǎn)矩同樣明顯上升。

齒槽轉(zhuǎn)矩隨磁瓦/鐵芯比值K的變化線見圖11。

圖11 實測曲線變化圖

對比實測與仿真的趨勢變化曲線，兩者大體趨勢相同，說明隨K值增大，齒槽轉(zhuǎn)矩總體是增大的。

3 結(jié)論

本文將三維有限元分析與實驗研究相結(jié)合，研究了定轉(zhuǎn)子高度差比值K對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響特性。通過本文仿真分析及實驗驗證，隨著K值增大，齒槽轉(zhuǎn)矩總體是增大的。而在比值K趨近1時，其齒槽轉(zhuǎn)矩及單位高度齒槽轉(zhuǎn)矩均相對較小。在不等電樞情況下，齒槽轉(zhuǎn)矩由鐵芯磁密飽和程度引起的變化要大于由電樞長度所引起的變化。