基于槽口偏移的永磁同步电动机齿槽转矩抑制

齿槽转矩是永磁电机设计制造中必须考虑的关键问题之一。为了抑制永磁同步电动机的齿槽转矩,采用傅里叶级数的方法对齿槽转矩进行分析,研究了单个槽对应的齿槽转矩与电机总齿槽转矩之间的关系。将电机电枢槽沿着旋转方向划分为偶数组,分析推导了单个电枢槽组对应的齿槽转矩,采用将相邻的电枢槽组设为对应组,通过将一组或者多组电枢槽组的槽口偏移适当角度的方法,使得对应组间齿槽转矩分量互相抵消,从而抑制电机总齿槽转矩特定次数的谐波,削弱总齿槽转矩幅值,并给出了具体偏移角度的公式。以一台12槽8极永磁同步电动机为例,仿真分析结果表明,采用该方法能有效抑制永磁同步电动机总齿槽转矩的基波以及低次数谐波,使得电机齿槽转矩幅值明显下降。     

基于磁场调制原理的齿槽转矩研究

永磁电机的齿槽转矩会引起电机转矩波动,降低电机控制精度。如何降低齿槽转矩一直是永磁电机领域研究的热点之一。传统齿槽转矩解析方法通常基于能量法。该文将能量法和磁场调制理论相结合,提出一种新的永磁电机齿槽转矩分析方法,对齿槽转矩的产生机理进行解释,并对齿槽转矩表达式进行推导,证明齿槽转矩是若干调制磁场相互作用的结果。通过对齿槽转矩分量表达式进行分析得出,要产生任意齿槽转矩分量,谐波永磁磁场和谐波气隙磁导需要满足的周期约束关系。之后对整数槽绕组电机和分数槽绕组电机进行有限元仿真,研究不同极槽配合下的电机齿槽转矩,以及气隙各次谐波磁场幅值随转子转动的变化规律,并对理论推导进行了验证。该文介绍的齿槽转矩分析方法为抑制永磁电机的齿槽转矩提供了设计思路。     

永磁电机齿槽转矩的谐波分析与最小化设计

针对传统电机优化设计方法使用特殊形状的铁心或磁极,导致电机结构复杂、难以加工的问题,采用频谱分析的方法对内置式永磁电机和表贴式永磁电机的齿槽转矩进行研究.用有限元方法计算两种电机模型的齿槽转矩,进而由傅里叶变换得到其各次谐波的功率谱.理论分析表明,采用适当余数的分数槽电机可以消除齿槽转矩中的特定谐波分量;而优化极弧长度则可以使其谐波总量最小化.针对永磁电机齿槽转矩谐波分量较大的缺点,提出二者相结合的方法抑制永磁电机的齿槽转矩.有限元计算结果显示,优化设计后,齿槽转矩的幅值不足额定转矩的0.1%.     

基于辅助槽的切向永磁电机齿槽转矩削弱方法

为削弱永磁同步电机齿槽转矩,提高电机性能,采用了开设转子内部辅助槽的方法。通过能量法分析齿槽转矩的产生原理,探讨了转子内部辅助槽对电机齿槽转矩的影响;利用有限元软件建立8极36槽内置切向式永磁同步电机模型,并基于该模型对辅助槽的形状、各项参数进行分析,采用变步长搜索法得到最优参数,最终得到辅助槽的最佳设计方案。结果表明:在转子内部开设偏心圆形辅助槽,能够有效削弱齿槽转矩,使齿槽转矩峰值降低了57.2%;能够增加气隙磁密基波幅值,减少谐波分量,2、6、8次谐波幅值明显下降;电机感应电动势谐波含量减少,电机性能得到提升。     

开辅助槽对永磁直线伺服电机法向力波动的影响

单边平板型有铁心永磁直线伺服电机(PMLSM)由于具有推力大,功率密度高的特点,是目前应用最为广泛的一种直线电机,但由于齿槽效应、端部效应及磁场谐波的影响,电机在运行过程中初、次级之间存在较大的法向力波动,其中齿槽效应引起的法向力波动一方面以摩擦力扰动的形式引起切向推力的波动,另一方会面引起机床的振动。为此,采用Maxwell stress tensor推导初级边齿无限长永磁直线电机空载齿槽法向力的解析表达式,通过对整数槽和分数槽PMLSM法向力波动谐波分量的分析,得出电机初级齿开辅助槽对齿槽法向力波动谐波次数和谐波幅值的影响规律。利用Ansoft Maxwell有限元软件对单边永磁直线电机开辅助槽前后的法向力波动情况进行仿真分析,仿真结果与解析结果基本一致,验证了解析分析方法的正确性,为削弱PMLSM法向力波动提供了理论指导。     

不同转子辅助槽对内置式永磁电机齿槽转矩的影响

齿槽转矩是永磁电机设计研究的一个重要参数。在解析法的基础上,研究了永磁电机齿槽转矩的表达式,讨论了气隙磁密波形对齿槽转矩的影响。并以一台6极36槽内置式永磁同步电机为例,通过在转子直轴位置上开设不同形状、不同大小的辅助槽,利用有限元法分析了矩形、半圆形、弧形三种类型的辅助槽对永磁电机齿槽转矩的影响,总结了齿槽转矩随辅助槽形状和大小的变化规律。分析表明,转子弧形辅助槽与其它两种槽形相比较,其电机的气隙磁密波形畸变最小,齿槽转矩谐波含量最小,对齿槽转矩的削减效果最优。对转子弧形辅助槽尺寸的合理设计和优化可以有效抑制永磁电机齿槽转矩,进而提高永磁电机的控制精度。     

槽口宽度对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩的影响

基于分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩产生的机理,运用能量法和傅里叶分解推导出分数槽集中绕组永磁电机的齿槽转矩解析式,确定气隙磁导平方的傅里叶分解系数与槽口宽度之间的相互关系,得到抑制齿槽转矩的槽口宽度计算方法。借助于Ansoft有限元软件,仿真分析不同极槽配合的永磁电机槽口宽度对齿槽转矩的影响。仿真结果表明,整数槽永磁电机的齿槽转矩随槽口宽度的增加而增加;分数槽集中绕组永磁电机选择合适的槽口宽度可显著抑制齿槽转矩,改善电机的转矩品质。采用有限元仿真与解析法两种计算方法,得到的齿槽转矩随槽口宽度变化的规律是相似的,验证了解析式的有效性,为精细化设计提供了依据。样机测试结果与有限元仿真值基本吻合,进一步验证了仿真方法的正确性。     

轴向磁场磁通切换型永磁电机齿槽转矩抑制

轴向磁场磁通切换型永磁(Axial Field Flux-Switching Permanent Magnet Machine,AFFSPM)电机是一种高功率密度、高效率的新型永磁电机,但由于其定、转子的双凸极结构引起的聚磁效应,同传统的永磁电机相比,该结构电机的齿槽转矩较大。为了减小齿槽转矩,进一步提高电机性能,本文对AFFSPM电机的齿槽转矩进行了分析,首先推导了齿槽转矩的解析表达式,然后对转子齿面开辅助槽法进行了研究,采用实验设计(DOE)方法得到了齿槽转矩与辅助槽槽宽、槽深和槽扇形角之间的数学模型,计算出使齿槽转矩最小的辅助槽槽宽、槽深和槽扇形角的最优组合,并通过三维有限元法(FEM)验证了所得结果的正确性。结果表明,转子齿开辅助槽可以有效地削减齿槽转矩,转子齿面开两个辅助槽,优化辅助槽口宽度、槽口深度和槽口形状为3°、1.79mm和1.62°,齿槽转矩最大可以减小约44.3%。     

负载对分数槽永磁电机转矩波动的影响

为了削弱分数槽永磁电机的转矩波动,提高控制精度,详细分析了负载对气隙磁密、反电势、电感和转矩波动的影响,得出转矩波动次数相对齿槽转矩次数的变化规律由电机的每极每相槽数确定,提出了一种根据转矩波动的次数和磁钢分段数设计磁钢分段斜极角的方法,并利用Ansoft Maxwell 2D有限元分析软件对该方法进行了计算机仿真分析,通过6种极槽配合电机的仿真结果表明,提出的方法相比于基于齿槽转矩次数设计磁钢分段斜极角的方法,对转矩波动的削弱效果能提高40%以上,效果明显。     

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。     

基于准梯形永磁体的多相分数槽集中整距绕组永磁电动机齿槽转矩抑制

对准梯形永磁体边沿厚度影响多相分数槽集中整距绕组电动机齿槽转矩的规律进行了研究。准梯形永磁体由正弦永磁体及第3,5次谐波合成得到,永磁体谐波分量的幅值依边沿厚度而定。为提高优化速度,采用复数磁导率模型计算齿槽转矩,并得到最优边沿厚度。对20槽22极外转子五相电动机进行解析计算发现,准梯形永磁体可抑制电动机齿槽转矩,且永磁体最优边沿厚度为最大厚度的0.5倍。齿槽转矩的有限元仿真和样机测量结果验证了解析计算及其结论的有效性。     

低齿槽转矩的表面式永磁同步电动机优化设计

为了设计一款9槽6极低齿槽转矩的表面式永磁交流同步电动机,首先应用有限元软件分析了电机的磁钢偏心距、极弧系数和定子铁心槽口宽度等参数对齿槽转矩和反电势的影响,分析表明优化设计以上参数可有效削弱永磁交流同步电动机的齿槽转矩。然后分析出齿槽转矩波形的主要谐波分量,选择合适的磁极错移角进一步削弱齿槽转矩。最后通过对样机进行测试,表明该电机齿槽转矩得到了有效削弱。     

定子齿冠开辅助凹槽抑制永磁电机齿槽转矩

永磁电机定子齿冠开辅助槽可以有效抑制电机齿槽转矩。以一台20槽16极的永磁电动机为例,通过有限元法建立电动机电磁场模型,利用Ansoft软件分析了辅助槽对永磁电机齿槽转矩大小的影响。研究表明,齿槽转矩的大小与电机的极槽数、辅助槽的尺寸、间距和槽型的选择有关,设计辅助槽要遵循一定的规则,合理设计定子齿冠的辅助凹槽可以有效抑制齿槽转矩,反之则可能反会增大齿槽转矩。     

PMSM齿槽转矩引起的转速谐波数学模型与最小化方法

针对矢量控制下永磁同步电机齿槽转矩引起转速谐波的机理复杂，及当前齿槽转矩抑制方法会增加控制系统复杂性等问题，推导矢量控制下齿槽转矩引起的转速谐波数学模型，提出基于PI控制器参数整定的转速谐波最小化方法。首先，通过分析矢量控制下齿槽转矩到电机转速的闭环传递机理，推导了齿槽转矩到电机转速的闭环传递函数，构建齿槽转矩引起的转速谐波数学模型。其次，以推导的数学模型建立目标函数，采用遗传算法寻优出使得齿槽转矩引起的转速谐波幅值最小的PI参数。最后，通过仿真和实验对所推导数学模型的准确性和所提转速谐波最小化方法的有效性进行验证。结果表明，基于数学模型寻优出的速度波动最小PI参数可使齿槽转矩引起的电机转速谐波幅值降低20%以上。     

基于GPR-PSO模型的PMSM齿槽转矩抑制

齿槽转矩是永磁电机特有的问题之一,是电机设计过程中必须考虑以及解决的关键问题。为了抑制表贴式永磁同步电动机(PMSM)的齿槽转矩,以PMSM齿槽转矩幅值为目标,以极弧系数、偏心距、磁钢充磁方式、定子槽口宽度为变量,研究了通过GPR-PSO模型方法来进行抑制齿槽转矩。利用正交实验设计安排了变量的配对,以一款48槽8极PMSM为例进行仿真,形成关于齿槽转矩幅值与变量的样本数据集。通过高斯混合回归模型(GPR)对该样本数据集进行拟合,构建拟合函数,检验了拟合模型的精度。以构建的拟合函数为适应度函数,通过粒子群算法(PSO)进行寻优,得到最优解,削弱了PMSM的齿槽转矩。结果表明,GPR-PSO模型能有效降低电机的齿槽转矩。     

补偿电流注入的永磁同步电机转矩脉动抑制方法

采用PWM技术后,在永磁同步电机中可能产生刺耳的电磁噪声,同时PWM谐波电流引起电机转矩脉动、涡流损耗增加及产生电磁干扰等问题。利用Maxwell有限元仿真,对永磁同步电机的定位转矩谐波分析,找出定位转矩中幅值较大的基波和主要谐波分量。通过注入补偿电流产生的转矩抵消定位转矩中的基波与二次谐波分量,从而达到抑制永磁同步电机转矩脉动的目的,仿真结果表明了方法的有效性。     

基于基波电流调控法的六相永磁同步电动机转矩波动抑制方法研究

六相永磁同步电动机一相开路故障时,绕组中的三次反电势将与基波电流相互作用产生较大的转矩波动。针对六相永磁同步电机一相开路故障,以绕组铜耗最小为优化目标,故障前后转矩恒定分量不变和三次谐波电势产生的转矩波动最小为约束条件,建立拉格朗日方程,得到容错运行时相电流的最优解析解。采用数值方法对故障前后电机额定工作状态进行了仿真分析,验证了解析解的正确性。提出的转矩波动抑制方法可以通过调整基波电流的幅值和相位实现对三次谐波反电势所引起转矩波动的抑制,无需对非故障相绕组注入谐波电流,提高了多相电机的容错运行工程实用性。     

对称转子辅助槽对内置式永磁同步电机齿槽转矩的影响

为减小内置式双层永磁体结构永磁同步电机齿槽转矩,研究了关于转子开辅助槽的方法。首先从理论上分析了齿槽转矩的产生机理,指出了转子开辅助槽降低齿槽转矩的可行性。然后运用有限元分析的方法,建立了8极48槽内置式V一型永磁同步电机仿真模型,并在转子表面关于永磁体中心线开设对称半圆形辅助槽,分析了辅助槽位置、半径,及单变量参数化顺序对齿槽转矩的影响。最后对比分析开槽前后电机的性能参数,结果表明,合理开设转子辅助槽可有效地降低齿槽转矩并保证电机其他性能基本不变。     

削弱异步起动永磁同步电机齿槽转矩的新方法

通过分析得出异步永磁同步电机(LSPMSM)的总齿槽转矩可以由每个对应磁极所产生的齿槽转矩分量叠加而成,并由此提出了一种基于磁极偏移的方法来削弱电机齿槽转矩。由于磁极的偏移,使得由该磁极和定子齿相互作用产生的齿槽转矩相位发生了改变。因此当磁极偏移适当的角度时,各个磁极产生的齿槽转矩有可能相互抵消。通过傅里叶分析,得出了不同极槽配合时电机的齿槽转矩表达式,并确定了不同极槽配合时磁极偏移角的公式。通过有限元仿真证明,该方法能够降低电机的齿槽转矩幅值。     

整数槽永磁同步电动机齿槽转矩的研究

在齿槽转矩产生原理的基础上,根据解析法推导与分析了不同整数槽永磁同步电机的齿槽转矩,并利用Ansys有限元分析软件对不同整数槽永磁同步电机的齿槽转矩进行对比分析与研究。结果表明,采用不同整数槽的永磁同步电机,其齿槽转矩的幅值以及对电机低速运行性能的影响不同。并提出针对不同整数槽采用不同抑制齿槽转矩的方法,进行了样机测试,该分析方法可避免整数槽电机产生较大齿槽转矩,对采用整数槽减小电机径向电磁力、降低永磁同步电机的振动和噪声具有实用意义。