磁极偏移与转子凿孔开槽对永磁同步电机性能的影响

方 超,黄开胜,吴帮超,黄光建,朱兴旺

(广东工业大学，广州 510006)

0 引 言

永磁同步电机是现代材料科学、电子电力技术和电机控制理论三者共同联系发展的产物，其利用永磁体材料产生转子磁场，区别于传统的感应电机的磁场由电流励磁产生，同时从其它方面作对比，它具有一系列优点，如功率密度高、体积小、效率高等。然而由于槽极配合不合理、永磁体形状或宽度不合适、定子齿宽选择不合理等多种因素影响，它们之间相互作用产生的齿槽转矩过大，可能会对永磁电机平稳运行造成不稳定、产生较大的振动和噪声[1]。因此，针对永磁电机齿槽转矩的削弱研究尤为重要。

现有的文献关于永磁电机齿槽转矩的研究有很多。其中文献[2]通过分析对整数槽进行磁极偏移来降低电机齿槽转矩，并实验验证了合适的磁极偏移有利于减小电机振动噪声。文献[3]研究了不同极槽配合对电机齿槽转矩的影响，同时分析了定转子磁场相互作用产生的径向力波对永磁电机的振动和噪声的规律。

本文采用了磁极偏移来降低永磁同步电机的齿槽转矩，借助于Maxwell 2D软件，利用其参数化扫描功能，对不同磁极偏移角度进行仿真；随即在磁极偏移后的基础上对转子进行凿孔开槽进而降低转动惯量，同时提高电机动态响应能力；最后制作样机，样机测试结果验证了该方法的正确性，对改善永磁同步电机的转矩波动具有参考价值。

1 永磁同步电机齿槽转矩的理论分析

根据对文献[4]的研究，当永磁电机考虑磁极偏移时，其齿槽转矩表达式:

Brbnzcos(nzα)]

(1)

式中:LFe为电枢铁心长度；R1为电枢外径；R2为电枢内径；Branz和Brbnz分别表示:

(2)

(3)

式中:αp为永磁体的极弧系数。

如果永磁体不偏移时被视作一种特定情况(θk=0)，此时Brbnz的值恒为零，整理Branz得:

(4)

只有当n为Np倍数时，Branz才不为零，Np满足:

(5)

式中：GCD(z,2p)为极数和槽数的最大公约数。

分析式(2)～式(4)可知，假如永磁体不偏移时，n只有取值为Np的倍数时，该次谐波幅值才不等于零。综上所述，理论上经过适当的磁极偏移，能够很好地削弱整数槽永磁同步电机的齿槽转矩[5-6]，且不会引入新的齿槽转矩谐波。

2 磁极偏移对齿槽转矩和气隙磁场的影响

利用电磁场有限元分析软件，分析磁极偏移角度不同时，永磁电机齿槽转矩幅值变化的情况，当幅值最小时对应最佳磁极偏移角度。磁极偏移方法：磁极2，3，6，7以纵轴Y为对称轴相对偏移θ，磁极1，4，5，8以纵轴Y为对称轴相对偏移3θ。

图1 磁极偏移后示意图

根据上述磁极偏移的方式，通过有限元软件建模后运行计算，生成磁极偏移不同角度时齿槽转矩的曲线，如图2所示。从图2可得，当θ为1°时永磁电机的齿槽转矩幅值达到最小，其值为0.18 N·m，比最初磁极不偏移时降低了87%，仿真结果表明磁极偏移能够削弱永磁电机的齿槽转矩，且削弱效果较为明显。

图2 不同磁极偏移角度对应的齿槽转矩

在有限元分析得出结果后进行数据后处理，得到不同磁极偏移时对应的空载气隙磁场波形，对其进行傅里叶分解，整理结果如表1所示。当磁极偏移角度为1°时，空载气隙磁场基波幅值略有减小。随着偏移角度的增大，空载气隙磁场畸变率一直在增大，然而磁场谐波含量过多，可能导致永磁电机四阶径向力波数过多，进而造成明显的振动和噪声[7-8]，对此可采取措施降低磁场谐波含量，如磁钢偏心距优化等方法。

表1 磁极偏移角度对应的空载气隙磁场

3 转子开槽凿孔对齿槽转矩和气隙磁场的影响

在确定最佳磁极偏移角度后，为了减小永磁电机的转动惯量，提高电机控制时的动态响应能力，便于转子上的通风降温，对转子进行了凿孔和开槽处理，转子凿孔开槽的示意图如图3所示。

图3 转子凿孔开槽示意图

加载额定电流源，对电机进行稳态分析，得到额定频率下电机的输出转矩仿真曲线如图4所示。同时给出转子凿孔开槽前后的参数对比，如表2所示。由表2可得，转子凿孔开槽对永磁电机的空载气隙磁场谐波含量基本没有影响，同时减小了输出转矩波动。

图4 输出转矩仿真曲线

凿孔前凿孔后齿槽转矩Tcog/(N·m)0．180．21空载磁场基波幅值B/T0．96520．9475空载磁场畸变率21．69%22．69%输出转矩To/(N·m)771744输出转矩波动1．64%1．54%

4 样机的制作与试验

根据以上有限元分析与仿真，采用上述方法对转子结构进行设计并制作了样机,如图5所示。

(a) 转子叠片

(b) 定子结构

对样机进行试验，实测样机转矩波动曲线如图6所示，同时给出了测试数据与计算值对比结果，如表3所示。试验结果表明，按照以上磁极偏移与转子开槽凿孔方案试制的样机，测试性能良好，正常工作时其转矩波动有了较为明显的改善，对永磁同步电机转子结构的优化设计具有一定的参考意义。

图6 额定转速下转矩波动实测曲线

比较项目计算值测试值误差电压U/V3553550线电流I/A3043070．9%转速n/(r·min-1)150015000输出转矩T/(N·m)7447500．8%输出转矩波动1．54%1．66%7．2%负载反电势E/V327320-2．2%效率η96．2%95．5%-0．7%温升t/℃—68—最大转矩倍数2．112．151．9%

5 结 语

本文采用磁极偏移与转子凿孔开槽的方法对整数槽永磁同步电机进行设计分析，研究了磁极偏移与齿槽转矩的解析表达式，仿真分析了磁极偏移和转子凿孔开槽分别对齿槽转矩以及空载气隙磁场的影响，并试制了样机，试验结果验证了该电机转子设计方法的可靠性。结果表明：

(1)磁极偏移可以有效地减小整数槽永磁同步电机的齿槽转矩，且对于表贴式永磁电机来说操作简单，有利于工程实践，但磁极偏移会带来空载气隙磁场谐波含量的增加。

(2)在磁极偏移的基础上，转子开槽凿孔可以进一步降低输出转矩波动，有利于永磁电机运行平稳性，且对空载气隙磁场谐波基本没有影响。

[1] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:北京工业出版社,1997：163-164.

[2] 田燕飞，黄开胜.整数槽永磁同步电动机磁极偏移的分析与试验[J].微特电机,2014,42(4):28-30.

[3] 刘景辉，黄开胜.永磁同步电动机径向电磁力的分析[J].微特电机，2013，41(5)：16-18.

[4] 杨玉波，王秀和等.磁极偏移削弱永磁电机齿槽转矩方法[J].电工技术学报, 2006,21(10):22-25.

[5] 田燕飞.小型三相永磁无刷直流电动机分析与设计[D].广州：广东工业大学,2014:52-55.

[6] 郭仁，黄守道.一种基于磁极偏移的永磁电机齿槽转矩最优削弱方法[J].微特电机,2010, 38(10),46-50.

[7] 郝雪莉.永磁电动机电磁振动噪声的计算分析研究[D].沈阳：沈阳工业大学, 2010:46-47.

[8] 梁文毅.表贴式调速永磁同步电动机径向磁拉力分析[J].微特电机, 2011,39(5):22-24.