齒槽轉矩形成的原因、對電機性能的影響和不同削弱方法的對比分析-

1、齒槽轉矩形成的原因、對電機性能的影響和不同削弱方法的對比分析一、齒槽轉矩形成的原因及影響齒槽轉矩Cogging torque,是永磁電機的固有現象,它是在電樞繞組不通電的狀態(tài)下,由永磁體產生的磁場同電樞鐵心的齒槽作用在圓周方向產生的轉矩。它的產生來自于永磁體與電樞齒之間的切向力,使永磁電動機的轉子有一種沿著某一特定方向與定子對齊的趨勢,試圖將轉子定位在某些位置,由此趨勢產生的一種振蕩轉矩1。無刷直流電動機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,一個齒距內的磁通相對集中于齒部,使得氣隙磁導不是常數。當轉子旋轉時,氣隙磁場的貯能就發(fā)生變化,產生齒槽轉矩,這個轉矩是

2、不變的,它與轉子位置有關,因而隨著轉子位置發(fā)生變化,就引起轉矩脈動2。它與轉子的結構尺寸、定子齒槽的結構、氣隙的大小、磁極的形狀和磁場分布等有關,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無關。齒槽轉矩會使電機轉矩波動,產生振動和噪聲,出現轉速波動,使電機不能平穩(wěn)運行,影響電機的性能。同時使電機產生不希望的振動和噪聲。在變速驅動中,當轉矩脈動頻率與定子或轉子的機械共振頻率一致時,齒槽轉矩產生的振動和噪聲將被放大。齒槽轉矩的存在同樣影響了電機在速度控制系統(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:定子斜槽或轉子斜極是抑制齒槽轉矩脈動最有效且應用

3、廣泛的方法之一,該方法主要用于定子槽數較多且軸向較長的電機3。實踐證明,斜槽使電機電磁轉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矩紋波。斜極由于加工復雜、材料成本高而在工程上很少采用。(2磁極分塊移位:由于轉子斜極會使成本大大增加,并且加工工藝也會變得復雜,因而應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,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目整數倍以外的所有齒槽轉矩諧波成分,后者只能消除齒槽轉矩的奇數次諧波,對偶數次諧波沒有影響。

4、(3分數槽法:此方法可以提高齒槽轉矩基波的頻率,使齒槽轉矩脈動量明顯減少。但是,采用了分數槽后,各極下繞組分布不對稱從而使電機的有效轉矩分量部分被抵消,電機的平均轉矩也會因此而相應減小5。(4磁性槽楔法:采用磁性槽楔法就是在電機的定子槽口上涂壓一層磁性槽泥,固化后形成具有一定導磁性能的槽楔。磁性槽楔減少了定子槽開口的影響,使定子與轉子間的氣隙磁導分命更加均勻,從而減少由于齒槽效應而引起的轉矩脈動6。由于磁性槽楔材料的導磁性能不是很好,因而對于轉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,槽口的導磁性能較好,所以閉口槽比磁性槽楔能更有效地消除轉矩脈動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,從而影響電機控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。也可通過減少槽口寬度來減少齒槽轉矩越,但槽口寬度的減小能夠削弱齒槽轉矩,卻給繞組下線工藝帶來困難,另外還使漏磁增加,最終影響電機出力。(6優(yōu)化磁鋼設計:平行充磁情況下電機氣隙磁場和反電勢波形更接近正弦波,平行充磁對轉矩脈動影響較小;電機極對數越大,轉矩脈動越大;電機極弧系數越大,轉矩脈動越小8。(7無槽式繞組:齒槽轉矩本質上是由永久磁鋼產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生的,因此最徹底而又簡單的方法是采用無槽式繞組結構。無槽結構早在上世紀70年代中葉就應用于直流電機中,電樞繞

6、組有粘貼在光滑轉子表面的,也有做成動圈式(moving coil的,或者是盤式電機的印刷繞組(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,因此無槽式電機的實際等效氣隙比有齒槽電機大得多,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機的實用化提供了契機。目前應用于永磁無刷直流電動機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生諧波,當輔助凹槽產生的諧波與原

7、定子產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1 唐任遠.現代永磁電機理論與設計M.北京:機械工業(yè)出版社,1997:1-85.2 柴鳳,李子鵬,程樹康.永磁電動機齒槽轉的抑制方法J.微機,2001,34(6:52-54.3 張穎.斜槽對永磁無刷直流電機齒槽轉矩的影

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