齒槽轉(zhuǎn)矩形成的原因、對電機(jī)性能的影響和不同削弱方法的對比分析-

1、齒槽轉(zhuǎn)矩形成的原因、對電機(jī)性能的影響和不同削弱方法的對比分析一、齒槽轉(zhuǎn)矩形成的原因及影響齒槽轉(zhuǎn)矩Cogging torque,是永磁電機(jī)的固有現(xiàn)象,它是在電樞繞組不通電的狀態(tài)下,由永磁體產(chǎn)生的磁場同電樞鐵心的齒槽作用在圓周方向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。它的產(chǎn)生來自于永磁體與電樞齒之間的切向力,使永磁電動機(jī)的轉(zhuǎn)子有一種沿著某一特定方向與定子對齊的趨勢,試圖將轉(zhuǎn)子定位在某些位置,由此趨勢產(chǎn)生的一種振蕩轉(zhuǎn)矩1。無刷直流電動機(jī)電樞鐵心為了安放定子繞組必定存在齒和槽,由于齒槽的存在,引起氣隙的不均勻,一個齒距內(nèi)的磁通相對集中于齒部,使得氣隙磁導(dǎo)不是常數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,氣隙磁場的貯能就發(fā)生變化,產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩,這個轉(zhuǎn)矩是

2、不變的,它與轉(zhuǎn)子位置有關(guān),因而隨著轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化,就引起轉(zhuǎn)矩脈動2。它與轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸、定子齒槽的結(jié)構(gòu)、氣隙的大小、磁極的形狀和磁場分布等有關(guān),而與繞組如何放置在槽中和各相繞組中饋入多少電流等因素?zé)o關(guān)。齒槽轉(zhuǎn)矩會使電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動,產(chǎn)生振動和噪聲,出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動,使電機(jī)不能平穩(wěn)運行,影響電機(jī)的性能。同時使電機(jī)產(chǎn)生不希望的振動和噪聲。在變速驅(qū)動中,當(dāng)轉(zhuǎn)矩脈動頻率與定子或轉(zhuǎn)子的機(jī)械共振頻率一致時,齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的振動和噪聲將被放大。齒槽轉(zhuǎn)矩的存在同樣影響了電機(jī)在速度控制系統(tǒng)中的低速性能和位置控制系統(tǒng)中的高精度定位。二、不同削弱方法及對比分析(1斜槽或斜極:定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極是抑制齒槽轉(zhuǎn)矩脈動最有效且應(yīng)用

3、廣泛的方法之一,該方法主要用于定子槽數(shù)較多且軸向較長的電機(jī)3。實踐證明,斜槽使電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩各次諧波的幅值均有所減小。而斜槽或斜極引起的繞組反電動勢的幣弦化將會增大電磁轉(zhuǎn)矩紋波。斜極由于加工復(fù)雜、材料成本高而在工程上很少采用。(2磁極分塊移位:由于轉(zhuǎn)子斜極會使成本大大增加,并且加工工藝也會變得復(fù)雜,因而應(yīng)用中往往采用磁極分塊移位法,由通過計算得到磁極極弧系數(shù),然后再把它優(yōu)化,最后把幾段分塊磁鋼沿周向錯開一定角度安放來近似等效成一個連續(xù)的磁極4,通常有兩種移位方法:連續(xù)移位和交差移位,前者消除的是磁鋼分塊數(shù)目整數(shù)倍以外的所有齒槽轉(zhuǎn)矩諧波成分,后者只能消除齒槽轉(zhuǎn)矩的奇數(shù)次諧波,對偶數(shù)次諧波沒有影響。

4、(3分?jǐn)?shù)槽法:此方法可以提高齒槽轉(zhuǎn)矩基波的頻率,使齒槽轉(zhuǎn)矩脈動量明顯減少。但是,采用了分?jǐn)?shù)槽后,各極下繞組分布不對稱從而使電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩分量部分被抵消,電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩也會因此而相應(yīng)減小5。(4磁性槽楔法:采用磁性槽楔法就是在電機(jī)的定子槽口上涂壓一層磁性槽泥,固化后形成具有一定導(dǎo)磁性能的槽楔。磁性槽楔減少了定子槽開口的影響,使定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙磁導(dǎo)分命更加均勻,從而減少由于齒槽效應(yīng)而引起的轉(zhuǎn)矩脈動6。由于磁性槽楔材料的導(dǎo)磁性能不是很好,因而對于轉(zhuǎn)矩脈動的削弱程度有限。(5閉口槽法:定子槽不開口,槽口材料與齒部材料相同,槽口的導(dǎo)磁性能較好,所以閉口槽比磁性槽楔能更有效地消除轉(zhuǎn)矩脈動7。但采用閉口槽

5、,給繞組嵌線帶來極大不便,同時也會大大增加槽漏抗,增大電路的時間常數(shù),從而影響電機(jī)控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。也可通過減少槽口寬度來減少齒槽轉(zhuǎn)矩越,但槽口寬度的減小能夠削弱齒槽轉(zhuǎn)矩,卻給繞組下線工藝帶來困難,另外還使漏磁增加,最終影響電機(jī)出力。(6優(yōu)化磁鋼設(shè)計:平行充磁情況下電機(jī)氣隙磁場和反電勢波形更接近正弦波,平行充磁對轉(zhuǎn)矩脈動影響較小;電機(jī)極對數(shù)越大,轉(zhuǎn)矩脈動越大;電機(jī)極弧系數(shù)越大,轉(zhuǎn)矩脈動越小8。(7無槽式繞組:齒槽轉(zhuǎn)矩本質(zhì)上是由永久磁鋼產(chǎn)生的磁通勢與由于定子開槽引起的磁阻變化相互作用而產(chǎn)生的,因此最徹底而又簡單的方法是采用無槽式繞組結(jié)構(gòu)。無槽結(jié)構(gòu)早在上世紀(jì)70年代中葉就應(yīng)用于直流電機(jī)中,電樞繞

6、組有粘貼在光滑轉(zhuǎn)子表面的,也有做成動圈式(moving coil的,或者是盤式電機(jī)的印刷繞組(printed circuit winding,不管采用何種形式電樞繞組的厚度始終是實際氣隙的組成部分,因此無槽式電機(jī)的實際等效氣隙比有齒槽電機(jī)大得多,所需的勵磁磁勢也要大許多,這在早期限制了無槽電機(jī)的容量和發(fā)展。近幾年來隨著NeFeB等高磁能積的永磁材料的迅猛發(fā)展,為無槽式永磁Rl機(jī)的實用化提供了契機(jī)。目前應(yīng)用于永磁無刷直流電動機(jī)的無槽式繞組主要可分為三大類:環(huán)形繞組、非重疊集中繞組和杯形繞組。(8輔助凹槽法:加輔助凹槽的目的是減少主要的諧波分量,同時輔助凹槽本身會產(chǎn)生諧波,當(dāng)輔助凹槽產(chǎn)生的諧波與原

7、定子產(chǎn)生的諧波同相位變化時,會使定位力矩升高;反之,會使定位力矩降低10。輔助凹槽中心線與定子沖片中心線的夾角決定了二者是同相還是反相。所加輔助凹槽產(chǎn)生的諧波,將會抵消原來有害的諧波分量的P次諧波,同一沖片在對稱位置上增加兩個輔助凹槽的作用是相互抵消諧波分量,合適角度的選擇,沖片坑口開口位置的減小,都能夠減少能量變化。同一沖片上,輔助凹槽在對稱位置上排布能取得較好的效果。參考文獻(xiàn)1 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997:1-85.2 柴鳳,李子鵬,程樹康.永磁電動機(jī)齒槽轉(zhuǎn)的抑制方法J.微機(jī),2001,34(6:52-54.3 張穎.斜槽對永磁無刷直流電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影

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