分数槽永磁无刷直流同步电机特性分析

张露锋,司纪凯,封海潮,封孝辉,曹文平

(1.河南理工大学，焦作 454003；2.华北科技学院，廊坊 065201；3.阿斯顿大学，英国伯明翰 B47ET)



分数槽永磁无刷直流同步电机特性分析

张露锋1,司纪凯1,封海潮1,封孝辉2,曹文平3

(1.河南理工大学，焦作 454003；2.华北科技学院，廊坊 065201；3.阿斯顿大学，英国伯明翰 B47ET)

分数槽永磁无刷直流同步电机是一种具有高功率密度、良好调速性能的永磁同步电机。建立了一种分数槽永磁无刷直流同步电机的有限元模型，分析了极弧系数和永磁体偏心距对齿槽转矩和转矩波动的影响，并研究了在电压源供电模式和电流源供电模式下电机转矩的波动状况。结果表明，合理的极弧系数和永磁体偏心距能使电机的齿槽转矩和转矩波动明显削弱，并且电流源供电模式下电机的运行特性较好。

永磁无刷直流同步电机；齿槽转矩；转矩波动；电压源供电；电流源供电

0 引 言

分数槽永磁无刷直流同步电机(以下简称FSPMBLDCSM)具有高效、高功率密度、良好的调速性等特点，并且随着永磁材料性能的日益提高、矢量控制理论的提出以及电力电子技术的快速发展，在航空航天、数控机床、电动汽车及家用电器等场合得到广泛的应用[1-3]。

在高精度控制领域， FSPMBLDCSM的转矩波动是衡量其性能的重要指标，因此抑制转矩波动成为提高FSPMBLDCSM性能的关键。目前主要通过电机本体结构的优化设计和采用先进的控制策略等方式来抑制电机的转矩波动[4-6]。电机本体设计的优化主要是通过绕组形式、气隙磁场、定转子结构等的合理设计来达到抑制转矩波动的目的，矢量控制理论的提出从原理上解决了永磁无刷电机的驱动控制策略问题[7-9]。文献[10-12]通过建立电机的二维有限元模型，优化永磁体的厚度及径向和切向磁体宽度配比，分析了永磁体结构对电机运行性能的影响。合理的极弧系数可以有效削弱永磁电机的转矩波动，降低运行噪声，提高系统的控制精度。国内外学者针对极弧系数对永磁电机的齿槽转矩、空载反电势以及激振力波等特性的影响作了大量的研究[13-15]。

为使FSPMBLDCSM的运行性能处于一个最佳的状态，本文通过有限元的方法分析了极弧系数和永磁体偏心距对齿槽转矩和转矩波动的影响，并研究了在电压源供电模式和电流源供电模式下转矩的波动状况。

1 电机的结构

电机绕组形式为分数槽集中绕组，并且采用具有一定偏心距的永磁体结构，永磁体偏心结构如图1(b)所示，通过调整图中永磁体的偏心距ec达到优化气隙磁密的目的。电机的整体结构如图1(a)所示，参数如表1所示。

表1 FSPMBLDCSM的结构参数

(a)整体结构(b)永磁体偏心结构

图1 FSPMBLDCSM的结构

2 仿真结果分析

利用有限元软件建立FSPMBLDCSM在永磁体不同偏心距和不同极弧系数以及不同供电方式下的有限元模型，分析不同状态下对FSPMBLDCSM转矩波动、齿槽转矩和空载反电势等性能的影响。转矩波动率Tr的定义：

(1)

2.1 极弧系数的确定

将永磁体的偏心距暂定为0，建立不同极弧系数的FSPMBLDCSM有限元模型，分析FSPMBLDCSM在额定状态下的运行特性，得到其稳态转矩曲线和空载反电势。图2为在不同极弧系数下FSPMBLDCSM的运行特性。

(a)不同极弧系数下的稳态转矩曲线(b)不同极弧系数下的空载反电势

图2 不同极弧系数下的运行特性

通过图2(a)可以看出FSPMBLDCSM在极弧系数为0.833时的转矩波动最小，转矩波动率为12.35%，极弧系数为1.0时转矩波动最大，波动率为45.63%。改变极弧系数可以优化电机的转矩波动，但仍然不能使转矩波动处于一个较为理想的范围内，主要原因在于当永磁体的偏心距为0时，气隙磁场为矩形波，会产生如图2(b)所示的空载反电势，其空载反电势的正弦特性都比较差，含有大量奇次谐波，这会导致FSPMBLDCSM产生较大的转矩波动。

2.2 偏心距的确定

在极弧系数为0.833的基础上，建立偏心距为0,2 mm,4 mm,6 mm,8 mm的有限元模型，求解出不同结构下的稳态转矩曲线、齿槽转矩和空载反电势的谐波含量。FSPMBLDCSM的永磁体在不同偏心距下的运行特性如图3所示。

(a)稳态转矩曲线(b)齿槽转矩

(c) 空载反电势谐波含量幅值

通过图3(a)可以看出，当永磁体的偏心距为6 mm时的转矩波动最小，转矩波动率为5.72%，比转矩波动最大时下降了53.68%。可以看出通过优化永磁体的偏心距可以有效削弱FSPMBLDCSM在稳态运行过程中的转矩波动。

齿槽转矩和空载反电势谐波为影响转矩波动的两个主要因素，图3(b)、(c)分别为不同永磁体偏心距下的齿槽转矩和空载反电势谐波含量。从图3(b)可以看出，随着永磁体偏心距增加，齿槽转矩逐渐减小，但是当齿槽转矩减小到一定程度时其被削弱的效果不再明显。主要原因在于随着永磁体偏心距的增加，永磁体两端的厚度逐渐减小，在其两端对应的电枢齿所构成的区域内，其磁场能量变化也变弱，齿槽转矩被削弱。但当偏心距逐渐增加时会引起永磁体极弧部分磁场能量的变化，从而导致齿槽转矩削弱不再明显。

从图3(c)可以看出，当永磁体偏心距为6 mm时对运行性能影响比较大的空载反电势低次谐波含量最小，主要原因在于当永磁体偏心距为6 mm时永磁体产生的气隙磁场波形更接近正弦波。

2.3 供电方式对运行性能的影响

在极弧系数为0.833，永磁体偏心距为6 mm的基础上，建立正弦波电压源供电模式和正弦波电流源供电模式下的有限元模型。图4为不同供电模式下的稳态转矩曲线。

从图4可以看出，当供电方式为正弦波电流源驱动时，FSPMBLDCSM的转矩波动明显减小，其转矩波动率从5.72%下降到2.67%。同时在运行过程中采用合适的控制策略，可以使转矩波动进一步的削弱，从而使FSPMBLDCSM具备更为理想的伺服驱动性能。

图4 不同供电方式对FSPMBLDCSM转矩的影响

3 结 语

通过有限元的方法分析了FSPMBLDCSM在不同极弧系数、不同永磁体偏心距以及不同供电模式下的运行特性，可以得到如下一些结论：

(1)极弧系数对FSPMBLDCSM的转矩波动有较大的影响，合理的极弧系数选择可以有效削弱转矩波动。

(2)合理的永磁体偏心距设计可以有效削弱转矩波动、齿槽转矩和空载反电势的谐波含量，从而使FSPMBLDCSM运行在更理想的状态。

(3)采用正弦波电流源驱动的方式可以有效削弱FSPMBLDCSM在运行过程中的转矩波动，从而使其具备较好的伺服驱动性能。

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Characteristic Analysis of Fractional Slot Permanent Magnet Brushless DC Synchronous Motor

ZHANGLu-feng1,SIJi-kai1,FENGHai-chao1,FENGXiao-hui2,CAOWen-ping3

(1.Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China; 2.North China Institute of Science and Technology,Langfang 065201,China; 3.University of Aston,Birmingham,B47ET，UK )

Fractional slot permanent magnet brushless DC synchronous motor (FSPMBLDCSM) is a kind of permanent magnet synchronous motor which has characteristics of high power density and good speed control performance. Finite element model of FSPMBLDCSM was established and influences of pole-arc coefficient and permanent magnet eccentricity on cogging torque and torque ripple were analyzed, torque ripples at voltage supply model and current supply model were researched. The results show that reasonable pole-arc coefficient and permanent magnet eccentricity weaken effectively cogging torque and torque ripple, the performance of FSPMBLDCSM obtained at current supply model is better.

fractional slot permanent magnet brushless DC synchronous motor (FSPMBLDCSM); cogging torque; torque ripple; voltage supply model; current supply model

2016-03-03

国家自然科学基金项目(U1361109)；河南理工大学创新型科研团队支持计划(T2015-2)；河南理工大学中青年拔尖创新人才支持计划(HPU-SEEA001)

TM33

A

1004-7018(2016)08-0045-03