1000kW变频调速永磁同步电机齿槽转矩分析

姜远远，崔焕志

（1.日照东方电机有限公司，山东 日照 276800；2.东北大学，辽宁 沈阳 110819）

1000kW变频调速永磁同步电机齿槽转矩分析

姜远远1，崔焕志2

（1.日照东方电机有限公司，山东 日照 276800；2.东北大学，辽宁 沈阳 110819）

基于1 000 kW变频调速永磁同步电机定子开口槽，采用定子分数槽和定子斜槽相结合的方法降低齿槽转矩，通过有限元仿真验证以及铁芯及线圈实例，证明该方法在实际制造及工艺过程中切实可行。

齿槽转矩；永磁同步电机；斜槽；分数槽

0 引言

随着稀土永磁材料的快速发展，交流调速永磁同步电机在多种场合得到应用，逐步呈现替代交流异步电机、电励磁交流同步电机的趋势。在永磁电机中，永磁体和有槽电枢铁心的相互作用不可避免的产生齿槽转矩。齿槽转矩是永磁同步电机的特有问题之一，它使电机转矩脉动，产生振动和噪声，通过转轴将脉动转矩传递给负载，降低系统的速度与位置控制的精确度。该现象在低速时尤为严重，因转速波动致使电机无法平稳运行从而影响性能，所以齿槽转矩是高性能永磁同步电机设计和制造必须考虑和解决的关键问题。精确计算与有效削弱齿槽转矩已成为多年来永磁电机研究的难点与热点问题之一。

1 概述

电机气隙内的能量可表示为：

式中 —极对数

式中 —电枢槽数

在不考虑斜槽时，推导电机的齿槽转矩表达式：

2 方法

2.1 削弱方法

1)斜槽或斜极

定子斜槽或转子斜极是抑制齿槽转矩脉动最有效且应用广泛的方法之一，该方法主要用于定子槽数较多且轴向较长的电机。

2)磁极分块移位

由于转子斜极致使成本快速增加，并且加工工艺也较复杂，应用中往往采用磁极分块移位法，由通过计算得到磁极极弧系数加以优化，将数段分块磁钢沿周向错开一定角度安放以近似等效一个连续的磁极。

3)分数槽法

此方法可以提高齿槽转矩基波的频率，使齿槽转矩脉动量明显减少。但是，采用了分数槽后，各极下绕组分布不对称从而使电机的有效转矩分量部分被抵消，电机平均转矩也会因此而相应减小。

4)磁性槽楔法

磁性槽楔是指在电机槽楔中均匀加入铁粉等原料，固化后具有一定的导磁性能，采用磁性槽楔时减少了定子槽开口的影响，使定子与转子间的气隙磁导分布更加均匀，可有效减小气隙磁场波动，进而减小气隙磁阻变化，减少由于齿槽效应而引起的转矩脉动。

5)闭口槽法

定子槽不开口，槽口材料与齿部材料相同，槽口的导磁性能较好，故闭口槽比磁性槽楔更有效消除转矩脉动。

6)优化磁钢设计

平行充磁情况下电机气隙磁场和反电势波形更接近正弦波，平行充磁对转矩脉动影响较小；电机极对数越大，转矩脉动越大；电机极弧系数越大，转矩脉动越小。

7)辅助凹槽法

加辅助凹槽的目的是减少主要的谐波分量，同时辅助凹槽本身会产生谐波，当辅助凹槽产生的谐波与原定子产生的谐波同相位变化时，定位力矩升高；反之，定位力矩降低。

不同的削弱方法，对电机的制造工艺有不同的要求，本文以采用的定子分数槽和定子斜槽相结合的方法进行说明。

2.2 定子分数槽

有限元仿真结果可见，分数槽相对于整数槽来说对齿槽转矩有明显的削弱作用，但是本台电机采用分数槽后齿槽转矩仍然较大，所以仍需通过其他途径来改善齿槽转矩。

2.3 定子斜槽

则齿槽转矩为：

本台电机在采用分数槽（8极60槽）的基础上，采用定子斜一个定子齿距，通过有限元进行斜槽仿真。仿真结果见图2，定子斜槽后转矩数值见表2。有限元仿真结果可见，齿槽转矩已降至1 N·m以下，完全满足工程需要。

3 制造

3.1 定子铁芯

本台电机定子采用开口槽，定子铁芯在叠压时难以控制斜槽角度。电机试制时，采用高速冲自动斜槽功能，即冲制时自动斜槽，叠压时按正常方法叠压，叠压后铁芯如图3所示。

3.2 定子线圈

由于没有专用的斜槽定子线圈拉型机，所以线圈需要手动整形，整形后线圈如图4所示。

4 结论

使用定子分数槽和定子斜槽相结合的方法可有效减少齿槽转矩，通过理论分析及有限元仿真对结果进行验证，结果表明，该方法正确。通过铁芯及线圈的制造，证明该方法在工艺上切实可行。

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Analysis of Cogging Torque of 1000kW Variable Frequency Speed Control for Permanent Magnet Synchronous Motors

Jiang Yuanyuan, Cui Huanzhi
(1.Rizhao Oriental Motor Co., LTD., Shandong 276800, China; 2.Dongbei University, Liaoning 110819, China)

The permanent magnet synchronous motor stator is based on 1000kW frequency control method of stator slots, while fractional slot stator and chute are combined to reduce the cogging torque. Respectively to verify by finite element simulation and through the example of iron core and coil, which proves the method is feasiblein actual manufacturing and process.

The cogging torque; Permanent magnet synchronous motor; Chute; Fractional slot

TM351

A

1674-2796（2017）02-0010-04

2017-01-09

姜远远(1990—)，男，大学专科，主要从事大中型永磁同步电动机设计工作。