內(nèi)置式永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法研究

張文超　張學(xué)義　王磊　韓玉桐　顏世龍　許明俊　化思展

摘要 為抑制永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，減少電機(jī)振動(dòng)與噪聲，提出一種定子齒頂開(kāi)輔助槽與轉(zhuǎn)子外圓偏心的結(jié)構(gòu)來(lái)抑制齒槽轉(zhuǎn)矩，提升電機(jī)的輸出性能．首先建立了定子齒頂開(kāi)槽前后與主氣隙分布函數(shù)解析式，分析定子開(kāi)槽與電機(jī)主磁場(chǎng)分布及齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，同時(shí)分析了轉(zhuǎn)子外圓偏心后對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響．以?xún)?nèi)置3相8極48槽V型永磁同步電機(jī)為例，利用有限元法對(duì)定子齒頂輔助槽個(gè)數(shù)、槽寬、槽深、槽位置以及轉(zhuǎn)子外圓偏心距等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比分析，獲得最優(yōu)的參數(shù)匹配．結(jié)果表明：定子齒頂雙矩形對(duì)稱(chēng)開(kāi)槽以及轉(zhuǎn)子外圓偏心的方式能有效改善主氣隙磁場(chǎng)分布，抑制電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，優(yōu)化后的電機(jī)氣隙磁密5、11、15、17諧波幅值下降明顯，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩峰值降低了59.6％，反電勢(shì)波形正弦性增強(qiáng)，平均轉(zhuǎn)矩提升，電機(jī)輸出性能明顯改善．關(guān)鍵詞 定子輔助槽;齒槽轉(zhuǎn)矩;主氣隙分布函數(shù);轉(zhuǎn)子外圓偏心;永磁同步電機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)TM351;TM359.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0 引言

與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī)相比，稀土永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、工農(nóng)生產(chǎn)、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域［1］．但永磁同步電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)存在齒槽轉(zhuǎn)矩，會(huì)引起電機(jī)振動(dòng)與噪聲，影響電機(jī)輸出性能，降低電機(jī)運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性．因此，降低齒槽轉(zhuǎn)矩，提升電機(jī)輸出性能已成為高性能永磁同步電機(jī)的重要研究?jī)?nèi)容之一．

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)削弱永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩已進(jìn)行了大量的研究與分析，取得了一定成果．文獻(xiàn)［2］通過(guò)建立參數(shù)化掃描模型，對(duì)V型內(nèi)置式永磁同步電機(jī)永磁體夾角、永磁體長(zhǎng)寬比、氣隙長(zhǎng)度進(jìn)行仿真分析，得到了考慮以上三個(gè)變量的齒槽轉(zhuǎn)矩最優(yōu)方案;文獻(xiàn)［3］通過(guò)偏斜定子降低橫向磁通電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩;文獻(xiàn)［4］對(duì)轉(zhuǎn)子分段斜極、非均勻氣隙情況下的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)進(jìn)行齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱;文獻(xiàn)［5］提出一種非對(duì)稱(chēng)V型磁極偏移轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并通過(guò)選擇最佳的磁極偏移方式與角度，達(dá)到降低齒槽轉(zhuǎn)矩的效果;文獻(xiàn)［6］提出一種對(duì)定子槽口進(jìn)行偏移的方法來(lái)降低齒槽轉(zhuǎn)矩，通過(guò)偏移適當(dāng)?shù)慕嵌饶軌蛴行Ы档妄X槽轉(zhuǎn)矩;文獻(xiàn)［7］以雙層內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)為例，采用磁極偏移與非均勻氣隙的方法來(lái)降低齒槽轉(zhuǎn)矩，并取得理想的效果．此外還有眾多學(xué)者利用在電機(jī)內(nèi)部開(kāi)設(shè)輔助槽的方法來(lái)降低齒槽轉(zhuǎn)矩．文獻(xiàn)［8-10］采用永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子極面開(kāi)輔助槽削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，通過(guò)選擇合適的輔助槽參數(shù)，將齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化到最佳效果；文獻(xiàn)［11-13］以?xún)?nèi)置式永磁同步電機(jī)為例，研究了定子開(kāi)設(shè)輔助槽數(shù)量、槽型、尺寸對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響．

目前學(xué)者們對(duì)削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的研究主要集中在對(duì)定子或者轉(zhuǎn)子單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)化上，但對(duì)兩者同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化的措施相對(duì)較少．因此，為降低齒槽轉(zhuǎn)矩，本文提出一種在定子齒頂開(kāi)設(shè)輔助槽與轉(zhuǎn)子外圓偏心的組合方法，推導(dǎo)定子開(kāi)槽時(shí)主氣隙長(zhǎng)度分布函數(shù)表達(dá)式，分析定子開(kāi)槽數(shù)量、輔助槽間距、輔助槽寬度及其深度對(duì)氣隙長(zhǎng)度分布函數(shù)、齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子外圓進(jìn)行偏心處理，推導(dǎo)轉(zhuǎn)子外圓偏心時(shí)與齒槽轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系式．利用有限元法優(yōu)化分析定子輔助槽參數(shù)、轉(zhuǎn)子外圓偏心參數(shù)及優(yōu)化前后永磁同步電機(jī)的輸出性能，驗(yàn)證分析的有效性．

1 齒槽轉(zhuǎn)矩原理

1.1 定子齒頂輔助槽與齒槽轉(zhuǎn)矩關(guān)系分析

1.1.1 定子齒輔助槽槽數(shù)與齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

1.1.2 定子齒頂開(kāi)槽主氣隙長(zhǎng)度分布函數(shù)解析計(jì)算

1.2 轉(zhuǎn)子外圓偏心與齒槽轉(zhuǎn)矩關(guān)系解析

2 齒槽轉(zhuǎn)矩削弱分析

2.1 定子齒頂開(kāi)槽數(shù)量對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

2.2 定子齒頂開(kāi)槽形狀對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

不同輔助槽型對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響有所差異，本文對(duì)比研究三角形槽、半圓形槽、矩形槽三種輔助槽型對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律，三種槽型如圖6所示，保證三者的槽深與槽寬相同，仿真不同輔助槽型的齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖7所示．

由圖7可知，定子齒頂輔助槽不同槽型對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱效果不同，三角形、圓形、矩形三種輔助槽型對(duì)應(yīng)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值分別為0.91、0.85和0.82 N·m，其中矩形槽對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱效果最明顯，因此本文選擇矩形輔助槽．

2.3 輔助槽與定子齒中心線(xiàn)角度γ對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

2.4 輔助槽槽寬ａ對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

2.5 輔助槽槽深b對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

2.6 偏心距h對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

3 優(yōu)化結(jié)果分析

采用優(yōu)化后的定子齒頂輔助槽與轉(zhuǎn)子外圓偏心距參數(shù)建立電機(jī)模型，仿真得到優(yōu)化前后的齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖13所示．

由圖13可知，優(yōu)化后的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值與開(kāi)槽前相比顯著降低，由1.14 N·m下降到0.46 N·m，降低了59.6％，優(yōu)化效果明顯．優(yōu)化前后的氣隙磁密以及氣隙磁密諧波對(duì)比如圖14和圖15所示．

由圖14和圖15可知，優(yōu)化后的氣隙磁密波形正弦性增強(qiáng)，峰值有所提升，相比于優(yōu)化前，氣隙磁密基波幅值略有增加，5、11、15、17次諧波幅值明顯下降．優(yōu)化前后反電動(dòng)勢(shì)波形以及諧波對(duì)比如圖16和圖17所示．

由圖16和圖17可知，相對(duì)于優(yōu)化前，優(yōu)化后的反電動(dòng)勢(shì)波形走勢(shì)更趨于正弦，峰值略有提升，反電動(dòng)勢(shì)基波幅值略有提升，9、11、13次諧波明顯下降．優(yōu)化前后的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩如圖18所示，優(yōu)化前后目標(biāo)參數(shù)對(duì)比如表2所示．

由圖18和表2可知，定子齒頂開(kāi)輔助槽優(yōu)化后，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩峰值由240.32 N·m提高到251.69 N·m，提升4.7％，平均轉(zhuǎn)矩由220.94 N·m提高到231.65 N·m，提升4.8％，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)由9.4％下降到8.5％，與優(yōu)化前相比降低9.6％，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出性能顯著提升．

4 結(jié)論

本文提出一種定子齒頂開(kāi)設(shè)輔助槽與轉(zhuǎn)子外圓偏心的組合方法來(lái)削弱永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，詳細(xì)推導(dǎo)了開(kāi)槽前后的氣隙長(zhǎng)度分布函數(shù)，對(duì)比研究定子齒輔助槽對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，同時(shí)分析了轉(zhuǎn)子外圓偏心對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的影響．利用有限元法對(duì)開(kāi)槽數(shù)量、形狀、位置、槽寬、槽深等輔助槽參數(shù)與轉(zhuǎn)子偏心距進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比分析．結(jié)果表明，當(dāng)定子齒頂開(kāi)兩個(gè)矩形輔助槽，輔助槽與定子齒中心線(xiàn)角度為1.6°，槽寬為1.4 mm，槽深為0.4 mm，轉(zhuǎn)子外圓偏心距為10 mm時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值降低了59.6％，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩明顯削弱，優(yōu)化后氣隙磁密諧波幅值降低，反電動(dòng)勢(shì)正弦性增強(qiáng)，平均轉(zhuǎn)矩提升4.8％，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低9.6％，電機(jī)的輸出性能改善．

參考文獻(xiàn)

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Weakening cogging torque of built-in permanent magnet synchronous motor

ZHANG Wenchao ZHANG Xueyi WANG Lei HAN Yutong

YAN Shilong XU Mingjun HUA Sizhan

1School of Transportation and Vehicle Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255000

2Weifang Electric Motor Factory Co. Ltd，Weifang 262100

3Shandong Hapvoo Power Technology Co. Ltd，Zibo 255000

Abstract A structure of stator tooth jacking auxiliary slot and rotor outer circle eccentricity was proposed for Permanent Magnet Synchronous Motor （PMSM） to suppress the cogging torque and reduce the vibration and noise of motor thus improve the output performance of PMSM.The analytical formula of distribution function was established for the stator tooth top （before and after slotting） and the main air gap，thus clarified the relationships between the stator slotting and the main magnetic field distribution as well as the cogging torque.At the same time，the influence of the rotor outer circle eccentricity on the cogging torque was analyzed.The optimal parameter matching was obtained through optimization tests and comparative analysis of auxiliary slot parameters including slot number，width，depth，slot spacing and rotor outer circle eccentricity，via finite element method on a built-in 3-phase 8-pole 48-slot V-type PMSM.The results showed that the double rectangular symmetrical slotting on the stator tooth top and the eccentricity of the rotor outer circle can effectively improve the magnetic field distribution of the main air gap and restrain the cogging torque of the motor.The harmonic amplitude of the optimized air gap magnetic density 5，11，15 and 17 was decreased significantly，the peak value of the cogging torque of the motor was decreased by 59.6％，and the sine of the back EMF waveform as well as the average torque was increased，thus the motors output performance was significantly improved.

Key words stator auxiliary slot;cogging torque;principal air gap distribution function;rotor outer circle eccentricity;permanent magnet synchronous motor （PMSM）