永磁电机齿槽转矩变化规律与削弱方法

1月前浏览441

在永磁电机的世界里，齿槽转矩是一个不可忽视的现象。它不仅影响电机的性能，还可能成为驱动系统控制精度的隐形挑战。今天，我们就来深入探讨什么是齿槽转矩，它的影响有哪些，以及如何有效削弱它。

图1

齿槽转矩：永磁电机的周期性挑战
齿槽转矩是由定子铁心开槽放置电枢线圈引起的。当转子转动时，由于定子齿部的作用，永磁体产生的磁场分布变得不连续，从而产生周期性的拉-吸作用力。这种力的变化是周期性的，在一个周期内，前半周期和后半周期是正负对称的，平均值为零。
齿槽转矩的影响：振动、噪声与控制精度
齿槽转矩的存在，使得电机的输出转矩不可避免地产生波动。这种波动不仅会引起振动和噪声，还会影响驱动系统的控制精度。从电机内部来看，定子开槽会导致气隙磁场发生畸变，反电势波形变差，电流的谐波含量增加，从而对电机的效率和温升产生负面影响。
削弱齿槽转矩：多种方法的综合应用
为了削弱齿槽转矩，工程师们采取了多种方法。这些方法包括：
1. 减小槽口宽度：采用闭口槽、半开口槽、磁性槽楔等设计。

在特定的电机设计中，例如一个四极九槽的电机，槽口宽度与齿距的比值（记为v）对齿槽转矩（即由于磁通在电机转子槽中的变化而产生的转矩）有显著影响。根据图2的分析，我们可以得出以下结论：

1）随着v的增加，齿槽转矩最初会减少，达到一个极小值点，随后又开始增加。这表明存在一个最优的v值，使得齿槽转矩达到最小，从而减少电机运行中的振动和噪声。

2）在极小值点的两侧，齿槽转矩的相位是相反的。这意味着在v值增加或减少时，转矩的变化趋势是对称的，这对于电机设计和控制来说是一个重要的特性，因为它可以帮助设计者预测和调整电机的性能。

图2

2. 合适的极槽配合：在分数槽或整数槽时增加每极每相槽数 q。
3. 增大气隙：减小气隙磁密，提高定子转子的对中精度。
4. 改变极弧系数：通过磁极偏移、不等槽口宽等方法。

例：某10极12槽电机齿槽转矩随极弧系数的变化如图2所示。从图3中可以看出，与槽口宽对齿槽转矩的影响相似，（1）在一定范围内，随着极弧系数的增加，齿槽转矩有先减小后增加的趋势，存在极小值点；（2）极值点两侧的齿槽转矩相位相反。

图3

5. 斜极/斜槽：这是最有效的方法之一。
斜极与斜槽：目的与手段
斜极和斜槽实际上是一回事。斜槽是手段，斜极是目的。定子斜槽使定子磁路和电流产生的磁场发生倾斜，而转子斜槽使永磁体位置及其磁场发生倾斜。通常，我们说定子斜槽，而转子斜极，这是因为转子磁极无论是否通电都客观存在。

斜槽角度：多少度合适？
斜槽的角度是削弱齿槽转矩的关键。如果每极每相槽数 q 为整数，即定子槽数 Z 是极数 2p 的整数倍，那么转子转一周齿槽转矩有 Z 个周期，斜一个定子槽即可。当然，从消除齿槽转矩的角度考虑，斜两个甚至更多槽也没问题。
分数槽绕组斜槽计算
当定子槽数 Z 不是极数 2p 的整数倍时，转子转一周齿槽转矩的周期是 Z 和 2p 的最小公倍数。例如，对于36槽8极电机，转子一周360°内产生72个齿槽转矩，需斜槽 \frac{360°}{72} = 5° 即1/2个定子槽。对于12槽10极电机，转子一周产生60个齿槽转矩，斜槽 \frac{360°}{60} = 6° 即1/5个定子槽。
结论
齿槽转矩是永磁电机设计中必须面对的挑战。通过合理的设计和计算，我们可以有效地削弱齿槽转矩，提高电机的性能和控制精度。无论是采用斜槽设计，还是通过其他方法，目标都是为了减少振动和噪声，提升电机的整体性能。在电机的世界里，每一个细节都至关重要。