从转矩波动角度探讨集中绕组永磁电机电磁设计

王栋梁，陈维

（ 1.王栋梁 康力电梯股份有限公司，江苏 苏州 215211；2.陈维无锡中基电机制造有限公司，江苏 无锡 214046 ）

从转矩波动角度探讨集中绕组永磁电机电磁设计

王栋梁1，陈维2

（ 1.王栋梁 康力电梯股份有限公司，江苏 苏州 215211；2.陈维无锡中基电机制造有限公司，江苏 无锡 214046 ）

转矩波动包括齿槽转矩和纹波转矩，是永磁电机的固有问题，其平均值为零，不会增加电机的平均转矩，但会导致电机转速产生波动、噪声等影响并对电机的精确控制产生较大影响。

转矩波动；集中绕组；永磁同步电机

0 引言

永磁同步电动机的定子绕组结构具有分布式和集中式两种，集中式绕组比传统的分布式绕组有着更加明显的优点：线圈端部尺寸较短，减少绕组端部铜线的浪费，可使结构尺寸更加紧凑；可自动绕线，工艺简单，生产效率大大提高，实现大规模自动化生产。如今，关于分数槽集中绕组的关注度越来越高，在工业机器人、交通驱动等领域得到了广泛应用，优化电机的转矩品质变的尤为重要。

1 概述

电磁设计是一个以结果为导向的设计过程，需要从设计指标去不断调整优化设计的基本参数。电机运行的平稳性是电动机（曳引机）的一个重要技术指标，而影响电机平稳性的主要指标是转矩脉动，转矩脉动包括齿槽转矩和纹波转矩。本文通过36槽32极分数槽集中式绕组永磁同步电动机为例，利用有限元分析软件进行仿真分析，在转矩波动的角度研究某些参数来探讨集中绕组的电磁设计。并用有限元仿真数据和样机试验进行验证。

2 性能

2.1 槽口宽度对电机性能影响

2.1.1 对齿槽转矩影响

齿槽转矩是由齿槽和铁芯磁阻变化引起的位力矩。传统的分布式绕组的齿槽转矩随着定子槽开口宽度的减小而减少，但在分数槽集中绕组冲片设计中这个经验并不适合。由参考文献（1）推导的集中绕组齿槽转矩表达式：

式中

最低阶齿槽转矩对性能影响最明显，公式简化成最低阶气隙相对磁导与槽口宽度的关系：

图1 槽口宽与齿槽转矩的关系

图1所示，随着槽口宽增大，齿槽转矩会经过0值，可见选择适合的槽口宽度可以明显减少齿槽转矩，槽口宽度在7.8 mm时齿槽转矩为0。但注意的是，过小会导致漏磁过多，过大又会使得齿部饱和严重。设计时还需要优化槽口宽度与齿宽对于磁密值的取值。另外因冲片的加工导致的边缘晶粒畸变导致磁性能改变，槽口宽实际选7.4 mm～7.6 mm较为合适。

图2 有变量时槽口宽与齿槽转矩的关系

2.1.2 对其他性能参数的影响

图3 槽口宽与电流、效率关系

图4 槽口宽与齿磁密的关系

2.2 斜极宽度对电机性能影响

从传统的分布式绕组斜槽减少转矩波动的经验上看，是非常有效的措施，但随斜槽宽度的增加电机的转矩、功率、空载反电势、效率下降，电磁损耗增加，所以斜槽的宽度需要在电机设计时应综合考虑，否则会影响到电机的整体性能。

如果采用集中绕组斜槽，工艺加工上很难达到定子斜槽，在集中绕组结构中选用斜极的方案，使斜槽角度等效成斜极角度。通过有限元软件对不同的斜槽模型进行分析，探讨斜极在集中绕组中应用的效果。将数据导入Excel表格整理得到以下数据图5。

随着斜槽数的增加，平均转矩呈降低状态，且有加速下降的趋势，转矩波动值在斜槽角度为1.8°时降至最低，之后保持不变。考虑到斜槽对功率、效率、损耗等的影响，斜槽度为1.8°最为适合。斜槽等效成斜极时，同样斜极角度也定义1.8°。可有效地将直槽时6%的转矩波动降低为3.2%。

图5 斜槽角度与额定转矩、转矩波动的关系

3 试验

将分析得到的结果，试制36槽32极分数槽集中式绕组永磁同步电动机样机进行测试，样机的试验数据和仿真结果吻合较好。电机振动试验值为0.2 mm/s，小于国标要求的0.5 mm/s振动值。性能平稳性良好，完全满足电机运行要求，验证了分析的正确性。

4 结语

本文以转矩波动角度探讨集中绕组电磁设计，通过公式和软件有限元分析，提出齿槽转矩与槽口宽和其他参数的关系，选择合适的槽口宽度可以使齿槽转矩接近于零，并且与永磁体厚度、气隙长度、极弧系数没有关系。槽口宽对电流、齿磁密影响也较为明显，选取时要综合考虑其影响。在传统的分布式绕组中能较好抑制转矩波动的斜槽方法，可在集中绕组中采用斜极等效，同样使抑制转矩波动效果明显。

[1]莫会成.分数槽集中绕组永磁交流伺服电机齿槽转矩分析[J].微电机.2011,44(8)；16-10.

[2]张琪.槽口跨度对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩的影响[J].电机与控制应用,2015,42(7).

[3]陈薇薇.分数槽永磁同步电机性能的研究及其谐波分析. 微特电机及永磁电机技术创新与发展论坛论文集[C].西安,2012.

[4]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社.1997.

[5]龚建芳.定子斜槽及非均匀气隙对永磁同步发电机的性能影响[J].大电机技术,2008,(04).

Discussion on the Electromagnetic Design of Permanent Magnet Motor with Concentrated Windings in Terms of Torque Ripple

Wang Dong Liang1, Chen Wei2
( 1.CANNY ELEVATOR CO.,LTD.,Jiangsu 215211, China; 2.Wuxi MCM Electric Machinery Co.,Ltd, Jiangsu 214046, China )

Torque ripple including cogging torque and ripple torque are inherent problems of permanent magnet motors Its average value is zero, which will not increase the average torque of the motor, but will cause the motor speed fluctuations, noise and other effects and has a great influence on the precise control of the motor.

Torque ripple;Concentrated winding;Permanent magnet synchronous motor

TM358

A

1674-2796（2017）04-0015-03

2017-01-10

王栋梁（1993—）男，大学本科，主要从事永磁同步电机研发设计工作。