定子輔助槽對永磁同步電機齒槽轉(zhuǎn)矩的影響研究

谷昭斌　王佳良　榮暉　郗寧　石德昱

摘 要：永磁同步電機定子齒開輔助槽可以有效抑制電機齒槽轉(zhuǎn)矩。本文以一臺6槽4極的永磁同步電動機為例，通過有限元法建立電動機電磁場模型，利用 ANSYS MAXWELL 軟件進行有限元仿真，分析了定子開輔助槽前以及開輔助槽后對永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩大小的影響，并制作樣件進行試驗。仿真以及試驗研究表明，合理設(shè)計定子齒的輔助槽可以有效抑制齒槽轉(zhuǎn)矩，降低電機噪聲。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機 輔助槽 齒槽轉(zhuǎn)矩 有限元分析

Study on influence of stator auxiliary slot on cogging torque of permanent magnet synchronous motor

Gu Zhaobin Wang Jialiang Rong hui Xi Ning Shi Deyu

Abstract：The cogging torque of permanent magnet synchronous motor can be effectively suppressed by opening auxiliary slots in stator teeth. Taking a permanent magnet synchronous motor with 6 slots and 4 poles as an example， the electromagnetic field model of the motor is established by finite element method， and the finite element simulation is carried out by ANSYS MAXWELL software. The influence of the stator before and after opening the auxiliary slot on the cogging torque of the permanent magnet motor is analyzed. The manual sample is made and tested to prove the simulation results. The simulation and experimental results show that the reasonable design of the auxiliary slot of stator teeth can effectively suppress the cogging torque and reduce the motor noise.

Key words：Permanent magnet synchronous motor， Auxiliary slot， Cogging torque， FEA

1 引言

永磁同步電機在高性能控制系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，當(dāng)永磁同步電機應(yīng)用到EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機等領(lǐng)域時，齒槽轉(zhuǎn)矩過大會使轉(zhuǎn)矩波動明顯，將無法帶來良好的駕駛手感，有可能引起客戶關(guān)于振動與噪聲問題的抱怨。抑制永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩的方法主要包括采用分?jǐn)?shù)槽繞組、定子斜槽和轉(zhuǎn)子斜極、優(yōu)化極弧系數(shù)以及定子齒開輔助槽等。

本文研究在定子齒開輔助槽，通過合理選擇輔助槽的尺寸，實現(xiàn)進一步削弱永磁同步電機齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。利用ANSYS MAXWELL軟件建立永磁電機模型，仿真分析定子開輔助槽前以及開輔助槽后對永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩大小的影響，并制作手工樣件進行電機噪聲測試。

2 齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理

齒槽轉(zhuǎn)矩來源于電機本身結(jié)構(gòu)。當(dāng)永磁電機繞組不通電時，在電機內(nèi)部的齒槽與永磁體之間會有一個保持永磁體與齒槽相對位置不變的力，這個力沿著氣隙圓周方向的切向分力會阻礙永磁體與齒槽兩者相對運動，這個力相對軸心對應(yīng)存在一個轉(zhuǎn)矩，這個轉(zhuǎn)矩便是齒槽轉(zhuǎn)矩。永磁電機運行時，齒槽轉(zhuǎn)矩過大會使電機輸出轉(zhuǎn)矩的脈動增大，振動和噪聲嚴(yán)重。

3 基于ANASYS MAXWELL的有限元分析

3.1 電機基本參數(shù)

為了研究輔助槽槽形尺寸對電機齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，選擇永磁同步電機原型機進行有限元仿真分析計算，電機的主要參數(shù)在表1中列出。

3.2 定子開輔助槽前有限元分析

對定子開輔助槽前的電機性能進行仿真分析計算，仿真分析過程包括建模、定義材料屬性、分配材料、劃分網(wǎng)格、設(shè)置加載、邊界條件、求解以及后處理等，仿真結(jié)果齒槽轉(zhuǎn)矩為10.2Nm。

3.3 定子開輔助槽后有限元分析

對于永磁電機，極數(shù)和槽數(shù)的不同配合形式，可以使齒槽轉(zhuǎn)矩的諧波次數(shù)不同，用表示齒槽轉(zhuǎn)矩的諧波次數(shù)：

式中：LCM（2p，z）為極數(shù)2p和定子槽數(shù)z的最小公倍數(shù)。

齒槽轉(zhuǎn)矩由各次fpn組成，且諧波的幅值同次數(shù)成反比，如果齒槽轉(zhuǎn)矩的fpn上升，則幅值下降。因此可以采用開輔助槽的方法增大LCM（2p，z）從而達(dá)到減小齒槽轉(zhuǎn)矩的作用。由于本文電機采用的是6槽4極的配比，所以LCM（4，6）=12。當(dāng)在定子每個齒上開單個輔助槽時，則LCM（4，12）=12，極槽的最小公倍數(shù)并沒有增大對電機的齒槽轉(zhuǎn)矩并沒有減小的作用，當(dāng)在定子齒上開兩個輔助槽時LCM（4，18）=36，對齒槽轉(zhuǎn)矩具有削弱作用。因此選擇在定子齒上開對稱半圓形雙輔助槽來降低電機的齒槽轉(zhuǎn)矩。開槽示意圖如圖3。θ為輔助槽位置角，R為輔助槽半徑大小。

對定子開輔助槽后的電機性能進行仿真分析，仿真分析過程包括建模、定義材料屬性、分配材料、劃分網(wǎng)格、設(shè)置加載、邊界條件、求解以及后處理等，仿真得到齒槽轉(zhuǎn)矩隨位置角度變化曲線圖，見圖4，齒槽轉(zhuǎn)矩隨輔助槽半徑大小變化曲線，見圖5，當(dāng)定子半圓形輔助槽尺寸位置角θ=79°，半徑為1.1mm時，此時具有最優(yōu)輔助槽時電機齒槽轉(zhuǎn)矩，此時電機的齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖如圖6，為7.6mN.m，通過仿真結(jié)果來看，定子開輔助槽后比定子開輔助槽前，電機的齒槽轉(zhuǎn)矩下降2.6Nm。

3.4 試驗方案

制作定子開輔助槽前和定子開輔助槽后的樣件進行電機噪音對比測試，對定子開輔助槽前的定子分別裝配電機原型機在消音室進行噪音測試，測試時電源電壓12V，距離電機原型機50cm處測量，測量X、Y、Z三個方向噪音數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)，然后對三個定子加工輔助槽后分別裝配電機原型機進行噪音測試，定子開輔助槽前和定子開輔助槽后均在占空比70%、占空比85%、占空比95%三個不同占空比的情況下均進行測試，記錄噪聲數(shù)據(jù)。

3.5 試驗結(jié)果

通過三臺樣件實驗結(jié)果來看，三個占空比下，定子開槽后比定子開槽前噪音值均有3DB左右的下降，具體噪音測試數(shù)據(jù)見表2，定子開輔助槽對齒槽轉(zhuǎn)矩降低有較明顯作用。

4 結(jié)束語

本文利用ANSYS MAXWELL 軟件，對定子齒開輔助槽前后的齒槽轉(zhuǎn)矩進行了有限元分析仿真計算并進行了噪音測試。分析結(jié)果表明，選擇合適的輔助槽尺寸，可以進一步削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，降低電機的振動與噪聲。

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