考虑加工误差的表贴式永磁伺服电机齿槽转矩分析与抑制

在永磁伺服电机中,齿槽转矩对加工误差非常敏感。为获取实际加工误差对齿槽转矩变化规律的影响,本文首先采用能量法建立考虑加工误差的齿槽转矩解析表达式,并分析了齿槽转矩对各种加工误差的敏感性。其次,基于蒙特卡罗方法,通过实测与供应商提供的数据估计各误差的概率分布,由概率分布产生随机样本,据此建立考虑加工误差的有限元模型,计算各模型的齿槽转矩,由此获得齿槽转矩及其频谱的分布规律。并且,论证了定子冲片循环旋转方法的最优旋转槽数,基本消除了定子侧误差产生的额外齿槽转矩。最后,从生产的一批电机中随机抽取样本进行齿槽转矩测试,验证了本文所用分析与抑制方法的可行性。     

自起动永磁同步电动机齿槽转矩的研究

永磁电机中永磁体与有槽电枢铁心之间相互作用,产生齿槽转矩,引起电机振动和噪声.该文提出了一种针对自起动永磁同步电动机的解析分析方法,得到了齿槽转矩的解析表达式.基于所导出的表达式,根据产生机理的不同,将齿槽转矩各分量分为4类,对各类齿槽转矩的特点进行了分析,并研究了斜槽对各类齿槽转矩的影响,研究表明：与表面式永磁电机不同的是,在自起动永磁同步电动机中采用斜槽的方法不能消除所有的齿槽转矩.     

A new approach to reduction of the cogging torque in a brushless motor by skewing optimization of permanent magnets

This paper presents a new approach to the skewing optimization of permanent magnet poles in a two-phase brushless d.c. motor in order to effectively reduce its cogging torque. The effect of skewing is obtained by a proper angular dislocation of permanent magnet slices. Skewing optimization is carried out with respect to the number of pole slices and their mutual angular dislocation. A natural criterion of optimization is assumed by the minimum standard deviation of the cogging torque. Since employing a full-size three-dimensional (3D) finite element method model of the motor in the skewing optimization problem would lead to prohibitive computational burdens, a new simplified 3D model is developed for the multisliced pole structure. The simplified method for torque calculations makes the optimization task feasible at reasonable computational cost. Solutions obtained clearly exhibit that the torque pulsation can be effectively reduced by appropriate skew-like shaping of permanent magnets. Simulation results on cogging torque minimization are in very good agreement with experimental data obtained from a prototype motor.     

Permanent-Magnet Synchronous Motor Magnet Designs With Skewing for Torque Ripple and Cogging Torque Reduction

This paper examines the torque ripple and cogging torque variation in surface-mounted permanent-magnet synchronous motors (PMSMs) with skewed rotor. The effect of slot/pole combinations and magnet shapes on the magnitude and harmonic content of torque waveforms in a PMSM drive has been studied. Finite element analysis and experimental results show that the skewing with steps does not necessarily reduce the torque ripple but may cause it to increase for certain magnet designs and configurations. The electromagnetic torque waveforms, including cogging torque, have been analyzed for four different PMSM configurations having the same envelop dimensions and output requirements.     

削弱永磁电机齿槽转矩的一种新方法

针对永磁体与有槽电枢铁心之间相互作用产生齿槽转矩,引起电机的振动和噪声,并影响系统的控制精度等问题,提出了通过改变磁极形状来削弱齿槽转矩的新方法。采用有限元分析方法,对不同形状永磁磁极的永磁电机齿槽转矩和磁通进行了分析和比较,并对槽数与极数配合对齿槽转矩的影响进行了研究。研究表明,采用偏心磁极结构可有效地削弱齿槽转矩,而对每极磁通影响较小,本文提出的方法是有效的。     

无刷直流电机的理想与非理想定位力矩及其综合抑制方法

可以采用多种有效的方法来抑制无刷直流电动机的定位力矩,但电机各部件制造或材料偏差的存在,使得按照上述方法实际生产出的电机出现较明显的定位力矩.文中从理论上分析了理想与非理想定位力矩的产生机理和规律;以4极9槽和4极12槽径向磁路无刷直流电机为例,采用数值计算和试验的方法定量分析了理想与非理想定位力矩,给出了定位力矩产生的一般规律.采用极槽配合法、磁极优化法、闭口槽法及定子齿冠开槽法抑制理想定位力矩,并分别给出了Z次和2P次非理想定位力矩的抑制措施.计算和试验结果验证了理论分析结论的正确性.     

Cogging Torque Reduction in Permanent Magnet Machines

This paper examines two methods - magnet shifting and optimizing the magnet pole arc - for reducing cogging torque in permanent magnet machines. The methods were applied to existing machine designs and their performance was calculated using finite-element analysis (FEA). Prototypes of the machine designs were constructed and experimental results obtained. It is shown that the FEA predicted the cogging torque to be nearly eliminated using the two methods. However, there was some residual cogging in the prototypes due to manufacturing difficulties. In both methods, the back electromotive force was improved by reducing harmonics while preserving the magnitude.     

Prediction of cogging torque using the flux-MMF diagram technique

An improved approach to predicting cogging torque in permanent magnet motors using the flux-MMF diagram technique is presented and validated. A brief review of cogging torque calculation and minimization techniques is included. It is shown that the flux-MMF diagram can be constructed for any one pole of a permanent magnet machine using the demagnetization characteristic of the permanent magnet; then by applying the principle of virtual work, cogging torque can be predicted. It is also shown that the flux-MMF diagram technique is a truly universal technique of cogging torque prediction and gives greater insight into many of the methods used for cogging torque minimization     

Halbach永磁阵列无刷直流电机转矩的解析计算和分析

Halbach永磁阵列具有灵活配置电机气隙磁通密度、磁屏蔽的特点,将其用于无刷直流电机以增加电磁转矩、降低齿槽转矩。在保角变换求解电磁场基础上,给出无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的解析计算模型,通过有限元仿真对该模型的准确性进行证明;使用该模型分析每极两块(1P2p)、每极三块(1P3p)Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角对无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的影响,对比分析径向充磁、平行充磁和Halbach永磁阵列的无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩随永磁体厚度的变化规律。分析结果表明,合理配置无刷直流电机Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角可提高电磁转矩、降低齿槽转矩,当永磁体厚度增加时,Halbach永磁阵列更有利于电磁转矩增加。     

极弧系数组合优化的永磁电机齿槽转矩削弱方法

永磁电机在高性能控制系统中应用越来越广泛，然而永磁体与有槽电枢铁心之间相互作用，产生齿槽转矩，引起电机的振动和噪声，并影响系统的控制精度。通常情况下，永磁电机各磁极的极弧系数相等。为削弱齿槽转矩，可设计相邻磁极极弧系数不等。文中采用不等极弧系数组合削弱永磁直流电机齿槽转矩，利用基于能量法和傅里叶分解的解析法得到齿槽转矩的表达式，通过分析起作用的气隙磁密的傅里叶系数，给出了使得齿槽转矩最小的极弧系数组合的确定方法。但是由于采用了一些假设，上述确定方法存在一定误差。为使齿槽转矩最小，采用全局优化方法与有限元相结合以获得最优极弧系数组合。文中对每极槽数为整数和分数的2台电机模型分别进行了解析分析和优化，结果表明：该优化方法可显著削弱齿槽转矩。     

基于磁极参数的表贴式永磁同步电机齿槽转矩研究

齿槽转矩是永磁电机的重要问题之一,削弱齿槽转矩可以减少转矩脉动、降低电磁噪声、提高电机运行稳定性。基于磁极参数对表贴式永磁同步电机(SPMSM)的齿槽转矩进行了研究,基于能量法和傅里叶分解推导了不同永磁体模型下的齿槽转矩公式。研究发现,磁极参数的改变影响永磁体剩磁在气隙中分布和气隙相对磁导率的大小,进而改变齿槽转矩的大小。然后结合有限元方法对不同永磁体模型下的电机齿槽转矩进行了仿真分析,发现削极结构和组合磁极对齿槽转矩削弱明显,并通过有限元方法优化了这2种结构的磁极参数,最后分析对电机其他性能的影响。研究表明,合理地选择永磁体参数可以在确保电机性能的同时显著降低齿槽转矩。     

基于分块永磁磁极的永磁电机齿槽转矩削弱方法

基于齿槽转矩的周期性以及永磁磁极与槽口相对位置的不同对齿槽转矩分布的影响,采用叠加法研究了分块永磁磁极削弱齿槽转矩的方法。该方法无需计算永磁分块导致的复杂的气隙磁通密度分布,而基于不同分块之间与槽口相对位置的变化导致的不同的齿槽转矩的分布,通过合理选择永磁分块数、分块宽度及分块间隔,可使得不同分块产生的齿槽转矩相互抵消,从而有效地削弱齿槽转矩。针对每极整数槽和非整数槽结构,推导得到了永磁分块数、分块宽度以及分块间隔之间关系解析表达式。有限元计算表明,本文得到的确定方法可有效地削弱齿槽转矩。     

混合励磁轴向磁场磁通切换型永磁电机特性分析与试验研究

提出了一种适用于电动汽车驱动系统的E型铁心混合励磁轴向磁场磁通切换型永磁(HEAFFSPM)电机。以一台三相6/10极电机为例,基于三维有限元方法全面研究该电机静态特性,包括气隙磁密、空载永磁磁链、空载反电动势、电磁转矩、转矩-电流特性、绕组电感和磁场调节能力等;研究转子齿扇形角度和转子斜极对电机反电动势和齿槽转矩的影响,分析表明转子齿扇形和转子斜极可以改善反电动势和齿槽转矩波形。制造了一台2 k W样机并对其进行测试,验证了有限元分析结果的准确性,结果表明HEAFFSPM电机的磁链和反电动势均为正弦分布,带载能力和磁场调节能力均较强。     

基于极弧系数选择的实心转子永磁同步电动机齿槽转矩削弱方法研究

齿槽转矩的削弱是永磁电机的难点和研究重点之一。为削弱实心转子同步电动机的齿槽转矩，文中提出了一种基于能量法和傅立叶分解的的解析分析方法，给出了能明确表达齿槽转矩与设计参数关系的齿槽转矩解析表达式，据此研究了极弧系数对齿槽转矩的影响。在此基础上，提出了极弧系数的最佳确定方法。根据该文给出的方法，可以方便地得到不同极数和槽数配合时的最佳极弧系数，进而削弱齿槽转矩。最后利用有限元法对其进行了验证，证明文中提出的方法是正确有效的。     

基于磁极分块与转子开槽削弱永磁电机齿槽转矩

为了提高6极72槽永磁直驱风力发电机的运行性能,提出了磁极分块与转子开槽相结合削弱齿槽转矩的方法。根据齿槽转矩的解析式和叠加原理,分析得出磁极分块和转子开辅助槽对削弱齿槽转矩的有效性。基于Maxwell有限元软件分别研究了永磁体的磁极分块、转子开槽对齿槽转矩的影响,给出了最佳的磁极分块数和磁极间隔以及转子辅助槽槽深和开槽位置。通过对比分析优化前后的电机仿真结果可知,该方法使电机的齿槽转矩得到了显著的削弱,同时电机的其他性能符合技术要求。     

永磁无刷直流电动机齿槽转矩的削弱

抑制齿槽转矩一直是永磁电机的重点和难点。文章综述了削弱永磁无刷直流电动机齿槽转矩的主要方法,包括改变磁极参数、电枢结构、电枢槽数和极数的合理组合等3大类和极弧系数选择等11种具体措施。     

Comparison of vibration sources between symmetric and asymmetricHDD spindle motors with rotor eccentricity

The permanent-magnet motor is often the most important element in hard disk drive (HDD) spindles and is also a frequent source of vibration and acoustic noise. Eccentricity between the stator and rotor is inevitably introduced during the manufacturing process, and includes mass unbalance, shaft bow and bearing tolerances. This paper analytically discusses the effects of rotor eccentricity on motor performance for symmetric and asymmetric motors, such as local traction, unbalanced force, cogging torque, back electromotive force (EMF), phase current and torque ripple. An asymmetric motor, mostly chosen to reduce the cogging torque, shows a worse effect on cogging torque and unbalanced force when the eccentricity exists. It also adversely affects the flux linkage and introduces variation of the phase back EMF depending on winding and rotating eccentricity, thus yielding increased mutual torque ripple     

基于磁极不对称角度优化的内置式永磁无刷直流电动机齿槽转矩削弱方法

齿槽转矩削弱是永磁电机研究的重点和难点之一。本文基于能量法和傅立叶分解的解析分析法,给出了磁极不对称时内置式永磁无刷直流电动机的齿槽转矩解析表达式,据此研究了磁极不对称对齿槽转矩的影响,在此基础上,提出了使齿槽转矩最小的磁极不对称角度的解析确定方法。由于解析法采用了一些假设,忽略了饱和、漏磁等影响,所得到的磁极不对称角度不是最佳值。为使齿槽转矩最小,将全局优化方法、解析法和有限元相结合,把寻优可行域缩小在解析解附近以减小求解时间,利用全局优化算法和有限元进行优化,以获得磁极不对称角度最优解。本文对每极槽数为整数和分数的两台无刷直流电动机分别进行了解析分析和优化,结果表明,该文的优化方法可显著削弱齿槽转矩。     

直流无刷电机中齿槽转矩的能量分析

齿槽转矩是齿槽类无刷永磁电机的固有指标,在定子绕组断电状态下,由永磁体的永磁场与定子铁芯的齿槽结构相互作用形成电磁力,进而在圆周方向产生周期性的固定转矩。本文从能量守恒的角度出发,根据齿槽转矩的产生机理推导出齿槽转矩与电磁结构的公式关系,以3对极和6对极两款直流无刷电机为例,利用二维有限元法分析了齿槽转矩在圆周方向的能量分布,研究表明,相同槽数的电机在一个周期内符合能量守恒定律,极对数的不同会造成齿槽转矩不同,通过选择合理的方法能够有效的利用齿槽转矩达到电机断电制动的效果。     

切向内置式高速永磁电动机转子结构优化研究

针对小功率高速永磁电动机,为满足高速电动机转子结构的应力要求,并简化电动机的生产工艺,提出了一种基于梯形永磁体的切向内置式转子结构,在满足电动机基本设计要求的前提下,对电动机转子相关结构参数进行了优化设计。采用有限元仿真方法,详细地分析了极弧系数和转子表面结构对齿槽转矩、平均转矩和转矩脉动的影响规律,并对转子的结构应力进行了校核。研究表明,该转子结构可有效简化电动机的生产工艺,总结了部分参数对电动机转矩性能的影响规律,并通过对转子结构的优化,有效地减小齿槽转矩以及转矩脉动。