盘式永磁电机齿槽转矩的分析与抑制

(5)
n =1
式中 δ—同一磁极中相邻分段磁钢之间的错开角度 。
整理式 ( 5) 可得 :
∞
∑ Tcog总 (α) =
Tsn [ (A1 ×co s nzδ + A2 + A3 ×
n =1
co s nzδ) sin nzα + (A3 - A1 ) ×
sin nzδco s nzα]
(6)
基于上述分析 ,对不同 δ角时应用 A n soft进行齿
第 26卷第 2期 2009年 2月
机 电 工 程
M echanical & Electrical Engineering M agazine
Vol. 26 No. 2 Feb. 2009
盘式永磁电机齿槽转矩的分析与抑制
周俊杰 ,范承志 ,叶云岳
(浙江大学 电气工程学院 ,浙江 杭州 310027)
测试过程为 : 首先把左右两边的重量配平 , 即 G1 = G2 ,此时 Tcog≈ 0;接着只在左边连续加适量配重 ,电 脑显示 Tcog 不断增大 ;当配重加到一临界量时 , 左右配 重失去平衡 , G1 快速落地 , 在这个临界点测得的转矩 值即为该电机齿槽转矩的最大值 。此系统测得所用盘 式电机的最大齿槽转矩为 0. 417 kN ·m。可见与理论 值 0. 391 kN ·m 存在误差 ,这是由理论分析中的计算 误差及电机制造中的实际偏差共同作用的结果 。
图 4 分段磁钢径向尺寸示意图
分段磁钢径向尺寸优化前后的仿真结果对比如图 5所示 。可见 ,径向尺寸优化后齿槽转矩得到了进一步 减小 , 齿 槽 转 矩 峰 值 为 0. 391 kN ·m , 仅 为 优 化 前 51272 kN ·m 的 7. 42%。
测试原理为 : 通过测试左右绳索的拉力差 F = F1 - F2 ,由转矩公式 T = F ×R1 ,求得齿槽转矩 Tcog。拉 力传感器 K1 与 K2 的输出经过放大电路后得到 0 ～ 5 V 电压信号 ,再由数据采集卡转换为数字信号后送入电 脑 ,最后由 L abV IEW 程序计算并显示结果 。
0 引 言
大力矩低速盘式永磁电机作为直驱式抽油机的核 心驱动部分 ,在运行时需考虑齿槽转矩的影响 。齿槽 转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体与铁心之间相互 作用下产生的转矩 ,是由永磁体与电枢齿间相互作用 力的切向分量的波动引起的 。齿槽转矩的存在是电机 振动与噪声产生的主要原因 。因此 ,对齿槽转矩及其 削弱方法的研究是永磁电机 (特别是低速永磁电机 ) 设计的一个重要部分 。齿槽转矩的抑制方法有多种 , 中外文献多有论述 [ 125 ] ,如减小槽口宽度 、斜槽和斜极 、 磁极偏移等 。
图 2 磁极分段移位分布示意图 (半个盘面 )
对分段移位后的磁场分析作以下假定 : ①忽略磁
极径向端部气隙变化的变化 。在分析齿槽
转矩时可将盘式电机划分为外环 、中环 、内环 3 部分 , 设各部分产生的齿槽转矩分别为 Tcog1 (α) , Tcog2 (α) 和 Tcog3 (α) ,则总齿槽转矩为三者之和 。
2
dV
(2)
式中 α—某一指定的齿的中心线和某一指定的永磁
磁极中心线之间的夹角 , 即定 、转子间的相对位置角 ,θ = 0的位置设定在该磁极的中心线上 ;μ0 , B r (θ) ,δ(θ,
α) , hm (θ) —真空磁导率 、永磁体剩磁密度 、有效气隙 长度沿圆周方向的分布 、永磁体充磁方向长度沿圆周
( College of E lectrica l Eng ineering, Z hejiang U n iversity, Hangzhou 310027, Ch ina) Abstract: The big2torque and low2speed disc permanent magnet motors were studied for the oil field pump ing units. A im ing at reducing the cogging torque, a size2op timal design method was adop ted based on finite element method ( FEM ) electromagnetic fields analysis. The best disp lacement was determ ined for the method of the rotor pole stacks shifting, and the pole stacksπradial sizes were also op tim ized. The purpose of reducing cogging torque was achieved. The results indicate that a reference is p rovided for design of big2torque and low2speed disc permanent magnet motor. Key words: disc permanent magnet motors; cogging torque; finite element method ( FEM )
摘 要 :在对用于油田抽油机的大力矩低速盘式永磁电机的研究过程中 ,为削弱齿槽效应所引起的转矩
波动 ,采用了一种以有限元电磁场计算为基础的磁极尺寸优化设计方法 ,确定了采用磁极分段移位法时
的最佳位移量 ,并通过优化分段磁钢的径向尺寸 ,实现了削弱齿槽转矩的目的 。研究结果表明 ,该设计
为大力矩低速盘式永磁电机设计提供了参考依据 。
图 1 盘式永磁电机的实物图与结构图
表 1 盘式永磁电机的基本参数
定子内 电机极数 电机总槽数
/外直径
1 000 2P = 64
/1 500 mm
Z =2 pm q = 192
磁极角度 β= 0. 75极距
永磁体 厚度
10 mm
大力矩低速盘式永磁电机采用“永磁体斜极移位
收稿日期 : 2008 - 06 - 23 作者简介 :周俊杰 (1984 - ) ,男 ,浙江余姚人 ,主要从事直线电机及直线驱动系统方面的研究. E2mail: hizjj@ yahoo. com. cn 通信联系人 :叶云岳 ,男 ,教授 ,博士生导师. E2mail: yeyunyue@ yahoo. com. cn
由式 ( 6) 可知 ,当 δ = ( 1 /3)φ时 ,有 :
∞
∑ Tcog总 (α) =
Tsn
n =1
A1
×co s
2 nπ 3
+ A2
+ A3
×
cos 2nπ 3
sin
nzα + (A3
- A1 )
sin 2nπcos nzα 3
(7)
若通过调整 3块磁极的径向长度 ,使得 A1 = A2 =
关键词 :盘式永磁电机 ;齿槽转矩 ;有限元分析
中图分类号 : TM351 文献标识码 : A
文章编号 : 1001 - 4551 (2009) 02 - 0079 - 03
Cogg ing torque ana lysis and reduction of d isc permanen t magnet m otors ZHOU Jun2jie, FAN Cheng2zhi, YE Yun2yue
方向的分布 。
将
B
2 r
(θ) 和
[ hm
(θ)
/ ( hm
(θ)
+δ(θ,α) )
]2 作傅里
叶展开 ,从而得到电机内磁共能的表达式 ,进而得到齿
槽转矩的表达式为 :
∑ Tcog (α)
=
πzLa 4μ0
( R22
-
∞
R21 )
nGn B r2npz sin n zα
n =1
(3)
式中 La —电枢铁心的有效轴向长度 ; R1 , R2 —电枢
外半径和定子轭内半径 ; n—使 nz /2p为整数的整数 ;
Gn , B r2npz —相关的傅里叶系数 ; z—电枢槽数 。
为便于表述 , 令 A (La , R1 , R2 )
=
πzLa 4μ0
( R22
-
R21 ) ,
Tsn = nGn B r2npz , 则式 ( 3) 变为 :
∞
∑ Tcog (α) = A (La , R1 , R2 ) Tsn sin nzα
根据文献 [ 6 ], 齿槽转矩可以表示为磁共能 W 相 对于位置角 α的负导数 ,即 :
Tcog
=-
9W 9α
(1)
假设电枢铁心的磁导率无穷大 , 则电机内存储的能
量近似为电机气隙和永磁体内的能量之和 ,可以表示为 :
∫ W
=
1 2μ0
V
B
2
dV
=
∫ 1
2μ0
V
B
2 r
(θ)
hm (θ) hm (θ) +δ(θ,α)
4 结束语
本研究以电磁场仿真分析为基础 ,对磁极尺寸进 行优化设计 ,确定了采用磁极分段移位法时的最佳位 移量 ;优化了分段磁块的径向尺寸 ,使齿槽转矩得到了 显著减小 。对比调整前后计算结果可知 ,经优化后的 电机齿槽转矩得到削弱 ,此结论经实测验证 ,证明了电 机运行性能得到了提高 。本研究论述的齿槽转矩削弱 方法为低速大力矩盘式永磁电机设计提供了重要的参 考依据 。
本研究考虑到便于工程实现的原则 ,对盘式电机 的转子斜磁极进行了重点分析研究 。
1 磁极分段移位时的最佳位移量分析
直驱式抽油机的核心驱动部分是大力矩低速盘式 永磁电机 ,它由圆盘形状的转子和定子组成 ,定子绕组