极弧系数组合优化的永磁电机齿槽转矩削弱方法

极弧系数组合优化的永磁电机齿槽转矩削弱方法
极弧系数组合优化的永磁电机齿槽转矩削弱方法

永磁电机齿槽转矩的研究分析

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/335469579.html, 永磁电机齿槽转矩的研究分析 作者:邓秋玲,黄守道,刘婷,谢芳 来源:《湖南大学学报·自然科学版》2011年第03期 摘要:研究了永磁电机齿槽转矩产生的机理和降低齿槽转矩的一些措施.以4极、48槽表面式稀土永磁同步电动机为例,利用二维有限元法分析了极弧系数、磁极偏移和开辅助槽对永磁电机齿槽转矩的影响.将理论分析得到的齿槽转矩结果与样机的齿槽转矩测试结果进行了比较,两者基本吻合.研究表明:通过选择合理的方法能够有效地降低齿槽转矩. 关键词:永磁电机;齿槽转矩;磁场分析;有限元分析 中图分类号:TM351 文献标识码:A Study of Cogging Torque in Permanentmagnet Machines DENG Qiuling1,2,HUANG Shoudao1, LIU Ting1, XIE Fang1 (1.College of Electrical and Information Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China; 2.College of Electric and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan, Hunan 411101,China) Abstract:The mechanism of the cogging torque generated in permanent magnet machines and some measures to reduce cogging torque were studied. Taking a rare earth type, permanent magnet synchronous motor with four poles, fortyeight slots, surfacemounted as an example, this paper analyzed the influence of pole arc coefficient, magnet pole displacement and adding supplementary slot on cogging torque in a twodimensional finite element analysis method. The computed cogging torque values were compared with the experiment values of the sample machine, both of which agree with each other well. The research results have indicated that, with the appropriate choice of these methods, the cogging torque can be reduced effectively. Key words:permanentmagnet machine;cogging torque;magnetic field analysis;finiteelement analysis 随着高性能永磁材料的发展和永磁电机设计制造技术的不断提高,永磁电机广泛应用于速度和位置控制系统中.在开槽永磁电机中,由永磁体和开槽电枢铁心之间相互作用产生的齿槽

齿槽转矩脉动

齿槽转矩脉动 齿槽转矩是由转子的永磁体磁场同定子铁心的齿槽相互作用,在圆周方向产生的转矩。此转矩与定子的电流无关,它总是试图将转子定位在某些位置。在变速驱动中,当转矩频率与定子或转子的机械共振频率一致时,齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能,和位置控制系统中的高精度定位。解决齿槽转矩脉动问题的方法主要集中在电机本体的优化设计 上。 (1)斜槽法定子斜槽或转子斜极是抑制齿槽转矩脉动最有效且应用广泛的方法之一,该方法主要用于定子槽数较多且轴向较长的电机。实践表明,采用斜槽角度为10°时,齿槽转矩的基波转矩幅值相当于直槽时的90%,3次谐波幅值相当于直槽时的30%,5次谐波幅值相当于直槽时的19%。值得注意的是,为产生恒定的电磁转矩,反电动势波形必须是平顶宽度大于120°的理想梯形波,而斜槽或斜极引起的绕组反电动势的正弦化将会增大电磁转矩纹波。因此,选择合适的斜槽角度是有效抑制齿槽转矩脉动的关键。 (2)分数槽法该方法可以提高齿槽转矩基波的频率,使齿槽转矩脉动量明显减少。但是,采用了分数槽后,各极下绕组分布不对称,从而使电机的有效转矩分量部分被抵消,电机的平均转矩也会因此而相应减 小。 (3)磁性槽楔法采用磁性槽楔法就是在电机的定子槽口上涂压一层磁性槽泥,固化后形成具有一定导磁性能的槽楔。磁性槽楔减少了定子槽开口的影响,使定子与转子间的气隙磁导分布更加均匀,从而减少由于齿槽效应而引起的转矩脉动。由于磁性槽楔材料的导磁性能不是很好,因而对于转矩脉动的削弱程度有限。 (4)闭口槽法闭口槽即定子槽不开口,槽口材料与齿部材料相同。因槽口的导磁性能较好,所以闭口槽比磁性槽楔能更有效地消除转矩脉动。但采用闭口槽,给绕组嵌线带来极大不便,同时也会'大大增加槽漏抗,增大电路的时间常数,从而影响电机控制系统的动态特性。 (5)无齿槽绕组为了消除齿槽转矩脉动,可采用无槽绕组的永磁无刷直流电机,这种结构的电机定子可使用非导磁铁心的无齿槽空心杯定子结构(见图),能够彻底消除了齿槽转矩脉动的影响;但绕组电感显著减小,一般只有几μH到几十μH,因此定子电流中的PWM分量非常明显。

电机负载扭矩计算

一、计算折合到电机上的负载转矩的方法如下: 1、水平直线运动轴: 9.8*μ·W·P B T L=2π·R·η(N·M) 式P B:滚珠丝杆螺距(m) μ:摩擦系数 η:传动系数的效率 1/R:减速比 W:工作台及工件重量(KG) 2、垂直直线运动轴: 9.8*(W-W C)P B T L=2π·R·η(N·M) 式W C:配重块重量(KG) 3、旋转轴运动: T1 TL=R·η(N·M) 式T1:负载转矩(N·M) 二:负载惯量计算 与负载转矩不同的是,只通过计算即可得到负载惯量的准确数值。不管是直线运动还是旋转运动,对所有由电机驱动的运动部件的惯量分别计算,并按照规则相加即可得到负载惯量。由以下基本公式就能得到几乎所有情况下的负载惯量。 1、柱体的惯量 D(cm) L(cm) 由下式计算有中心轴的圆柱体的惯量。如滚珠丝杆,齿轮等。 4L(kg·cm·sec2)或πγ·L·D4(KG·M2) πγD J K=32*980J K=32 式γ:密度(KG/CM3)铁:γ〧7.87*10 -3KG/CM3=7.87*103KG/M3 铝:γ〧2.70*10 -3KG/CM3=2.70*103KG/M3 JK:惯量(KG·CM·SEC 2)(KG·M2)

D:圆柱体直径(CM)·(M)

L:圆柱体长度(CM)·(M) 2、运动体的惯量 用下式计算诸如工作台、工件等部件的惯量 WPB2 J L1=9802π(KG·CM·SEC 2) PB2 2 =W2π(KG·M) 式中:W:直线运动体的重量(KG) PB:以直线方向电机每转移动量(cm)或(m) 3、有变速机构时折算到电机轴上的惯量 1、 Z2 JJO 电机 Z1 KG·CN:齿轮齿数 2 Z1 22 JL1=Z2*J0(KG·CM·SEC)(KG·M ) 三、运转功率及加速功率计算 在电机选用中,除惯量、转矩之外,另一个注意事项即是电机功率计算。一般可按下式求得。 1、转功率计算 2π·Nm·T L P0=60(W) 式中:P0:运转功率(W) Nm:电机运行速度(rpm) TL:负载转矩(N·M) 2、速功率计算 2 2π·NmJL Pa=60Ta 式Pa:加速功率(W)

齿槽转矩测试的必要性和方法

齿槽转矩测试的必要性和方法 近年来随着永磁材料的发展,永磁电机成了电机行业的新宠。然而在永磁电机中,齿槽转矩的存在给电机的控制性能造成了很大的影响,那齿槽转矩到底是怎么产生的?我们又该怎么去测呢? 玩过永磁电机的朋友都有过类似的经历:我们在电机掉电的情况下去转电机的转子,发现会有一种卡顿的感觉,而不像传统直流电机那么顺畅的就能把转子徒手转起来。这种卡顿其实就是因为永磁电机存在齿槽转矩。永磁电机内部结构图如图1所示,齿槽转矩是永磁电机的固有的特征之一,它是在电枢绕组不通电的状态下,由永磁体产生的磁场同电枢铁心的齿槽作用在圆周方向上产生的转矩。它其实是永磁体与电枢齿之间的切向力,使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势,试图将转子定位在某些位置,由此趋势产生的一种振荡转矩就是齿槽转矩。 图1 永磁同步电机结构图 齿槽转矩会使电机产生振动和噪声,出现转速波动,使电机不能平稳运行,影响电机的性能。在变速驱动中,当转矩脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时,齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。所以做永磁电机研发的工程师希望把自己做的电机的齿槽转矩降到最小,使用永磁电机的工程师则希望了解手上这台电机的齿槽转矩,从而去优化他的控制算法。 在国标GBT/ 30549-2014里对齿槽转矩的测试有了明确的定义:电机绕组开路时,电机回转一周内,由电枢铁心开槽,有趋于最小磁阻位置的倾向而产生的周期性力矩。齿槽转矩的测试方法常用的有:杠杆测量法、转矩仪法。杠杆测量法比较简单,测量精度比较差,所以主要用于对精度要求不高的场合。转矩仪法架构图如图2所示,由于伺服电机的齿槽转矩非常小,所以测试时需要以一个非常低的转速来带动未上电的被测电机来完成测试,

电机转矩功率转速之间的关系及计算公式

电机转矩、功率、转速之间的关系及计算公式 电动机输出转矩: 使机械元件转动的力矩称为转动力矩,简称转矩。机械元件在转矩作用下都会产生 一定程度的扭转变形,故转矩有时又称为扭矩。 转矩与功率及转速的关系:转矩(T)=9550*功率(P)/转速(n)? 即:T=9550P/n 由此可推导出: 转矩=9550*功率/转速《===》功率=转速*转矩/9550 方程式中: P—功率的单位(kW); n—转速的单位(r/min); T—转矩的单位(N.m); 9550是计算系数。 电机扭矩计算公式 T=9550P/n 是如何计算的呢? 分析: 功率=力*速度即 P=F*V---——--公式【1】 转矩(T)=扭力(F)*作用半径(R) 推出F=T/R------公式【2】 线速度(V)=2πR*每秒转速(n秒)=2πR*每分转速(n分)/60=πR*n分/30------公式【3】 将公式2、3代入公式1得: P=F*V=T/R*πR*n分/30 =π/30*T*n分 -----P=功率单位W, T=转矩单位N.m, n分=每分钟转速单位转/分钟 如果将P的单位换成KW,那么就是如下公式: P*1000=π/30*T*n 30000/π*P=T*n 30000/3.1415926*P=T*n 9549.297*P=T*n 这就是为什么会有功率和转矩*转速之间有个9550的系数关系。。。 转矩的类型 转矩可分为静态转矩和动态转矩。 ※静态转矩 静态转矩是值不随时间延长而变化或变化很小、很缓慢的转矩,包括静止转矩、恒定转矩、缓变转矩和微脉动转矩。? 静止转矩的值为常数,传动轴不旋转; 恒定转矩的值为常数,但传动轴以匀速旋转,如电机稳定工作时的转矩; 缓变转矩的值随时间延长而缓慢变化,但在短时间内可认为转矩值是不变的; 微脉动转矩的瞬时值有幅度不大的脉动变化。 ※动态转矩 动态转矩是值随时间延长而变化很大的转矩,包括振动转矩、过渡转矩和随机转矩三种。 振动转矩的值是周期性波动的; 过渡转矩是机械从一种工况转换到另一种工况时的转矩变化 过程;随机转矩是一种不确定的、变化无规律的转矩。

永磁同步电机齿槽转矩分析与控制总结

永磁同步电机齿槽转矩分析与控制总结 齿槽转矩是永磁电机固有的特性,它会使电机产生转矩脉动,引起速度波动、振动和噪声,当转矩脉动的频率与电机定、转子或端盖的固有频率相等时,电机产生共振,振动和噪声会明显增大。齿槽转矩也会影响电机的低速性能和控制精度。 1.齿槽转矩定义:转子在旋转过程中,定子槽口引起磁路磁阻变化, 转子磁通与定子开槽引起的气隙磁导(磁阻的倒数)交互作用在圆周方向产生的转矩为齿槽转矩。 齿槽转矩也称定位转矩,它的产生来自永磁体与电枢齿间的切向力,使转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势. 2.齿槽转矩影响因素:齿槽形状、磁极极弧系数、永磁体形状、极槽配合、气隙、磁场强度等. 3.齿槽转矩每机械周期齿槽转矩周期数:N co=LCM(Z,2p),Z为槽数,2p为极数,LCM表示最小公倍数. 4.齿槽转矩一个周期机械角度为:θsk=360°/N co 5.齿槽转矩基波频率为: f c=N co n s=N co f p n s=f p (r/s)为同步转速,p为极对数,f为电源频率. 6.齿槽转矩的通用表达式: T co=∑T n ∞ n=1 sin(nN coθ+?n) n=1时对应的齿槽转矩的基波幅值为T1, θ为转子机械角位置. 7.齿槽转矩的计算: 齿槽转矩可以通过计算响应区域的磁能积得到,T ec=dW c dθ ,式中,磁共能: W c=∫Bθ2 2μ0 d(υr)(J) 对气间隙区域应用麦克斯韦张力张量法计算齿槽转矩,有: T ec=L L gμ0∫rB n S g B t ds,

L为有效转子长度;L g为气隙长度;μ0为自由空间磁导率;r为虚拟半径;B n和B t为气间隙磁通的径向和切向分量;S g为气隙表面积. 8.降低齿槽转矩措施: 1)无槽绕组:采用无槽绕组可以完全消除齿槽转矩,但气隙磁通密度会降低, 需要增加永磁体的材料(高度). 2)定子斜槽:通常定子斜槽等于一个槽距,可将齿槽转矩降为零,但定子斜槽 减小电动势,电机性能会下降,转子偏心情况,斜槽有效性降低。 θco=θsk=2πN co 当定子叠片斜过这个角度时,齿槽转矩为: T sk= 1 θsk ∫T co θsk (θ)dθ= 1 θsk ∑∫T n 2π N co ∞ n=1 sin(nN coθ+?n)dθ= 1 θsk ∑[ ?T n cos(nN coθ+?n) nN co ] 2π N co ∞ n=1 =0 3)改变定子槽型:a.齿顶开辅助槽,辅助槽也产生齿槽转矩,辅助槽产生的齿槽 转矩与原定子槽产生的齿槽转矩会相互叠加,产生合成齿槽转矩,其相位差: φnc=2π s(N n+1) ,N n为每齿开的辅助槽数,谐波次数为(N n+1)及其倍数的齿槽转矩相互叠加后不为零且频率提高,而合成转矩的其他高次谐波则被消除。为使辅助槽能有效减小齿槽转矩,需要遵循一定的原则 (HCF[(N n+1),N p]=1, HCF表示最大公约数,N p为1个齿距内的周 期数,N p=2p HCF[Z,2p] ),否则齿槽转矩可能反而会增大。定子齿开槽对电机性能有一定影响,会降低反电动势. b.减少槽口的宽度,一般情况齿槽转矩随着槽口宽度增大而增大,优化槽宽与 槽距的比值可降低齿槽转矩,但转矩波动可能会增大. c.闭口槽,设计闭口槽时需要正确设计相邻齿的连接桥,连接桥太厚,定子槽 漏磁太大而不可接受. d.不等齿宽槽.

ANSYS Maxwell 2D求解齿槽转矩的几种方法

ANSYS Maxwell 2D求解齿槽转矩的几种方法 齿槽转矩是永磁电机特有的问题之一,是高性能永磁电机设计和制造中必须考虑和解决的关键问题。其表现是当永磁电机绕组不通电时,永磁体和定子铁芯之间相互作用产生的转矩,它是永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的。Maxwell 2D可以有效仿真得出永磁电机电磁方案的齿槽转矩,且方法较多。本文以R17.2 RMxprt中的自带案例4极24槽“assm-1”为模板,介绍3种方法。 打开该案例后,首先将系统中的案例另存到工作目录下,然后在DesignSettings 中设置“Fractions 1”,计算并生成Maxwell 2D瞬态场算例。复制该算例,将新算例修改为静磁场算例,并分别再复制一次静磁场和瞬态场算例,删除RMxprt 算例,按照图1重命名各个算例。 图1 算例重命名 首先选中转子轭和4个永磁体,做旋转操作,在弹出窗口中设置旋转角度为变量“my_ang”,并定义变量初始值为“0 deg”,如图2所示。 图2 旋转转子

然后选中模型“Band”,在“Parameters”中定义求解转矩,如图3所示。 图3 定以转矩求解 在“Analysis”中添加1个“Setup”,设置迭代精度误差为0.1%,最后在“Optimetrics”中设置变量“my_ang”的扫描范围为线性步长[0 deg ,20 deg],步长0.2 deg,如图4所示。 图4 Optimetrics扫描范围设置 设置完成后即可求解,求解完成后按照图5的设置,查看静磁场分析报告。因为本电机的轴向长度为65mm,而Maxwell 2D XY平面静磁场求解的对象默认长度为1m,因此需要在求解结果中加入“/1000*65”的运算。

电机扭矩计算方法

电机扭矩计算方法标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]

电机转速和扭矩(转矩)计算公式 含义: 1kg= 1千克的物体受到地球的吸引力是牛顿 含义:·m 推力点垂直作用在离磨盘中心1米的位置上的力为了。 转速公式:n=60f/P (n=转速,f=电源频率,P=磁极对数) 扭矩公式:T=9550P/n T是扭矩,单位N·m P是输出功率,单位KW n是电机转速,单位r/min 扭矩公式:T=973P/n T是扭矩,单位Kg·m P是输出功率,单位KW n是电机转速,单位r/min 形象的比喻: 功率与扭矩哪一项最能具体代表车辆性能有人说:起步靠扭矩,加速靠功率,也有人说:功率大代表极速高,扭矩大代表加速好,其实这些都是片面的错误解释,其实车辆的

前进一定是靠发动机所发挥的扭力,所谓的「扭力」在物理学上应称为「扭矩」,因为以讹传讹的结果,大家都说成「扭力」,也就从此流传下来,为导正视听,我们以下皆称为「扭矩」。 扭矩的观念从小学时候的「杠杆原理」就说明过了,定义是「垂直方向的力乘上与旋转中心的距离」,公制单位为牛顿-米(N-m),除以重力加速度 sec2之后,单位可换算成国人熟悉的公斤-米(kg-m)。英制单位则为磅-尺(lb-ft),在美国的车型录上较为常见,若要转换成公制,只要将lb-ft的数字除以即可。汽车驱动力的计算方式:将扭矩除以车轮半径即可由发动机功率-扭矩输出曲线图可发现,在每一个转速下都有一个相对的扭矩数值,这些数值要如何转换成实际推动汽车的力量呢答案很简单,就是「除以一个长度」,便可获得「力」的数据。举例而言,一部升的发动机大约可发挥的最大扭矩,此时若直接连上185/ 60R14尺寸的轮胎,半径约为41公分,则经由车轮所发挥的推进力量为15/=公斤的力量(事实上公斤并不是力量的单位,而是重量的单位,须乘以重力加速度sec2才是力的标准单位「牛顿」)。 36公斤的力量怎么推动一公吨的车重呢而且动辄数千转的发动机转速更不可能恰好成为轮胎转速,否则车子不就飞起来了幸好聪明的人类发明了「齿轮」,利用不同大小的齿轮相连搭配,可以将旋转的速度降低,同时将扭矩放大。由于齿轮的圆周比就是半径比,因此从小齿轮传递动力至大齿轮时,转动的速度降低的比率以及扭矩放大的倍数,都恰好等于两齿轮的齿数比例,这个比例就是所谓的「齿轮比」。

ANSYS-Maxwell-2D求解齿槽转矩、饱和电感、饱和磁链的几种方法

齿槽转矩、 一、问题描述 1.齿槽转矩T cog :当永产生的转矩即为T cog ,它是 是永磁电机特有的问题之关键问题。 2.饱和电感:绕组存在导致绕组电感变化。考虑高电机模型精度有重要意 3.饱和磁链:绕组交链存在饱和现象。 二、基于Maxwell 2d 的求Maxwell 2D 可以有效对于求Tcog,方法很多为模板,介绍3种方法。打开该案例后,首先Settings 中设置“Fract 算例,将新算例的类型修例,删除RMxprt 算例,按 1.静磁场扫描转子旋转角首先,选中转子轭和4在弹出窗口中将旋转角度弹出的窗口中,定义变量磁链等随电流变化的规律 ANSYS Maxwell 求解 、饱和电感、饱和磁链 永磁电机绕组不通电时,永磁体和定子是永磁体与电枢齿之间相互作用力的之一,是高性能永磁电机设计和制造中在电感,当电机负载不同时,铁心的虑不同负载电流、不同转子角度下的绕意义。 链有磁链,跟电感一样,磁链也受电流求解T cog 的方法 仿真得出永磁电机电磁方案的齿槽转多。本文以R17.2 RMxprt 中的自带案例 先将系统中的案例另存到工作目录ions 1”,计算并生成Maxwell 2D 修改为静磁场算例,并分别再复制一按照图1重命名各个算例。 图1 算例重命名 角度的方法 个永磁体,做旋转操作(选菜单Edit 度设置为一个新变量“my_ang”(如图量“my_ang”的初值为“0 deg”。律,则类似地在输入电流的地方,将电链的方法 子铁芯之间相互作用 的切向分量引起的。T cog 中必须考虑和解决的的磁饱程度会有差异,绕组电感变化,对提流、转子角度的影响,转矩、电感、磁链。 例4极24槽“assm-1”录下,然后在Design 瞬态场算例。复制该一次静磁场和瞬态场算 t->Arrange->Rotate),图2),并确定;在新(如要求转矩、电感、电流定义为新变量。)

电机输出扭矩计算公式

电动机输出转矩 转矩(英文为torque ) 使机械元件转动的力矩称为转动力矩,简称转矩。机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形,故转矩有时又称为扭矩。转矩是各种工作机械传动轴的基本载荷形式,与动力机械的工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及安全性能等因素紧密联系,转矩的测量对传动轴载荷的确定与控制、传动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要的意义。此外,转矩与功率的关系T=9549P/n 电机的额定转矩表示额定条件下电机轴端输出转矩。转矩等于力与力臂或力偶臂的乘积,在国际单位制(SI)中,转矩的计量单位为牛顿?米(N?m),工程技术中也曾用过公斤力?米等作为转矩的计量单位。电机轴端输出转矩等于转子输出的机械功率除以转子的机械角速度。直流电动机堵转转矩计算公式TK=9.55KeIK 。 三相异步电动机的转矩公式为: S R2 M=C U12 公式[2 ] R22+(S X20)2 C:为常数同电机本身的特性有关;U1 :输入电压; R2 :转子电阻;X20 :转子漏感抗;S:转差率 可以知道M∝U12 转矩与电源电压的平方成正比,设正常输入电压时负载转矩为M2 ,电压下降使电磁转矩M下降很多;由于M2不变,所以M小于M2平衡关系受到破坏,导致电动机转速的下降,转差率S上升;它又引起转子电压平衡方程式的变化,使转子电流I2上升。也就是定子电流I1随之增加(由变压器关系可以知道);同时I2增加也是电动机轴上送出的转矩M又回升,直到与M2相等为止。这时电动机转速又趋于新的稳定值。 转矩的类型 转矩可分为静态转矩和动态转矩。 静态转矩是值不随时间变化或变化很小、很缓慢的转矩,包括静止转矩、恒定转矩、缓变转矩和微脉动转矩。 静止转矩的值为常数,传动轴不旋转; 恒定转矩的值为常数,但传动轴以匀速旋转,如电机稳定工作时的转矩; 缓变转矩的值随时间缓慢变化,但在短时间内可认为转矩值是不变的; 微脉动转矩的瞬时值有幅度不大的脉动变化。 动态转矩是值随时间变化很大的转矩,包括振动转矩、过渡转矩和随机转矩三种。振动转矩的值是周期性波动的;过渡转矩是机械从一种工况转换到另一种工况时的转矩变化过程;随机转矩是一种不确定的、变化无规律的转矩。 根据转矩的不同情况,可以采取不同的转矩测量方法。 转矩=9550*功率/转速 同样 功率=转速*转矩/9550 平衡方程式中:功率的单位(kW);转速的单位(r/min);转矩的单位(N.m);9550是计算系数。

基于ANSOFT的永磁同步伺服电机齿槽转矩分析

基于ANSOFT的永磁同步伺服电机齿槽转矩分析 第32 卷第4 期2014 年07 月佳木斯大学学报( 自然科学版) Journal of Jiamusi University ( Natural Science Edition) Vol.32 No.4 July 2014 文章编号: 1008 -1402( 2014) 04 -0559 -04 基于ANSOFT 的永磁同步伺服电机齿槽转矩分 析 1 2 1 黄金霖,易靓,曹光华 ( 1.安徽机电职业技术学院电气工程系,安徽芜湖241000; 2.江西理工大学电气工程与自动化学院,江西赣州341000) ① 摘要: 齿槽转矩是永磁电机的固有属性,引起电机的转矩波动,产生振动和噪声.为减小齿槽转矩,提高永磁伺服电机的控制精度,在研究永磁电机齿槽转矩产生机理的基础上,根据永磁电机齿槽转矩的解析式,研究定子齿部开辅助槽和转子磁极偏移对永磁电机齿槽转矩的影响; 利用有限元软件ANSOFT,建立36 槽8 极永磁伺服电机的有限元分析模型,计算不同尺寸辅助槽和磁极偏心距离时的齿槽转矩,分析辅助槽尺寸和磁极偏心距离对齿槽转矩的影响.研究结果表明,合理的辅助槽尺寸和磁极偏心距离可有效削弱永磁伺服电机的齿槽转矩.关键词: 齿槽

转矩; 磁极偏心; 辅助槽; 永磁电机 中图分类号: TM303 文献标识码: A 随着矢量控制算法、电力电子器件和计算机控制技术的不断发展,永磁伺服电机的应用越来越广.在数控机床、小型机器人、机械传动设备以及混合电动汽车等领域,永磁伺服电机已经代替传统的异步电机和直流电机成为许多领域必不可少的传[1], 动设备. 永磁伺服电机结构与普通异步电机相比,转子永磁体取代了传统的转子绕组,转子永磁体的存在,使得电机的效率和功率密度高; 与此同时,转子永磁体与定子槽相互作用,产生齿槽转矩,使得电机转矩波动增加,产生振动与噪声,影响伺服电机的控制精度.齿槽转矩是永磁电机特有的属性,因此,怎样减小永磁电机的齿槽转矩成为相关专家学者研究[2] 的重点之一. 其中,μ0 是空气磁导率. ( 2) 以及气隙磁密随着电机定转根据式( 1) 、 子相对位置角和沿气隙切向不同位置分布的解析表达式,得到齿槽转矩的表达式为: T cog = - 1 α

齿槽转矩

永磁同步电机的齿槽转矩 齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和定子铁心之间相互作用产生的转矩,是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的。齿槽转矩是永磁电机特有的问题之一,会导致转矩波动,引起振动和噪声,影响系统的控制精度,因此在永磁电机的设计中必须考虑和解决。 削弱齿槽转矩的方法可归纳为三大类,即改变永磁磁极参数的方法、改变电枢参数的方法以及电枢槽数和极数的合理组合(极槽配合)。 (1)改变磁极参数的方法 改变磁极参数的方法是通过改变对齿槽转矩起主要作用的Bm 的幅值,达到削弱齿槽转矩的目的。这类方法主要包括:改变磁极的极弧系数、采用不等厚永磁体、磁极偏移、斜极、磁极分段、不等极弧系数组合和采用不等极弧系数等。 (2)改变电枢参数的方法 改变电枢参数能改变对齿槽转矩起主要作用的Gn的幅值,进而削弱齿槽转矩。这类方法主要包括:改变槽口宽度、改变齿的形状、不等槽口宽、斜槽、开辅助槽、槽口偏移等。 齿槽转矩是由于电枢开槽引起的,槽口越大,齿槽转矩也越大。在工程实际中,槽口宽度取决于导线直径、嵌线工艺等因素。从削弱齿槽转矩的角度看,应尽可能减小槽口宽度,如果可能,可以采用闭口槽、磁性槽楔或无齿槽铁心。

(3)合理选择电枢槽数和极数 该方法的目的在于通过合理选择电枢槽数和极数,改变对齿槽转矩起主要作用的Bm和Gn的次数和大小,从而削弱齿槽转矩。 在电机设计和工程实际中,可根据实际情况采用合适的削弱方法,既可采用一种方法·,也可采用几种方法的组合。 专业术语: 永磁同步电机:Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM) 齿槽转矩:cogging torque 永磁体:p ermanent magnet 相互作用力:interaction force 切向力:tangential force 振动:vibration 极槽配合:slot-pole combination 定子:stator 电枢:armature 转矩波动:torque ripple 磁极:magnetic pole 极弧系数:pole-arc coefficient 磁极偏移:permanent magnet shift 斜极:skewed pole 斜槽:skewed slots 槽口偏移:slot-opening shift

电机转速和扭矩(转矩)计算公式

电机转速和扭矩(转矩)公式 含义: 1kg=9.8N 1千克的物体受到地球的吸引力是9.8牛顿。 含义: 9.8N·m 推力点垂直作用在离磨盘中心1米的位置上的力为9.8N。 转速公式:n=60f/P (n=转速,f=电源频率,P=磁极对数) 扭矩公式:T=9550P/n T是扭矩,单位N·m P是输出功率,单位KW n是电机转速,单位r/min 扭矩公式:T=973P/n T是扭矩,单位Kg·m P是输出功率,单位KW n是电机转速,单位r/min 形象的比喻: 功率与扭矩哪一项最能具体代表车辆性能?有人说:起步靠扭矩,加速靠功率,也有人说:功率大代表极速高,扭矩大代表加速好,其实这些都是片面的错误解释,其实车辆的前进一定是靠发动机所发挥的扭力,所谓的「扭力」在物理学上应称为「扭矩」,因为以讹传讹的结果,大家都说成「扭力」,也就从此流传下来,为导正视听,我们以下皆称为「扭矩」。 扭矩的观念从小学时候的「杠杆原理」就说明过了,定义是「垂直方向的力乘上与旋转中心的距离」,公制单位为牛顿-米(N-m),除以重力加速度9.8m/sec2之后,单位可换算成国人熟悉的公斤-米(kg-m)。英制单位则为磅-呎(lb-ft),在美国的车型录上较为常见,若要转换成公制,只要将lb-ft的数字除以7.22即可。汽车驱动力的计算方式:将扭矩除以车轮半径即可由发动机功率-扭矩输出曲线图可发现,在每一个转速下都有一个相对的扭矩数值,这些数值要如何转换成实际推动汽车的力量呢?答案很简单,就是「除以一个长度」,便可获得「力」的数据。举例而言,一部1.6升的发动机大约可发挥15.0kg-m的最大扭矩,此时若直接连上185/ 60R14尺寸的轮胎,半径约为41公分,则经由车轮所发挥的推进力量为15/0.41=36.6公斤的力量(事实上公斤并不是力量的单位,而是重量的单位,须乘以重力加速度9.8m/sec2才是力的标准单位「牛顿」)。

电机转速和扭矩(转矩)计算公式

电机转速和扭矩(转矩)公式 1、电机有个共同的公式,P=MN/9550 P为额定功率,M为额定力矩,N为额定转速,所以请确认电机功率和额定转速就可以得出额定力矩大小。注意P的单位是KW,N的单位是R/MIN(RPM),M的单位是NM 2、扭矩和力矩完全是一个概念,是力和力臂长度的乘积,单位NM(牛顿米) 比如一个马达输出扭矩10NM,在离输出轴1M的地方(力臂长度1M),可以得到10N的力;如果在离输出轴10M的地方(力臂长度10M),只能得到1N的力 含义:1kg=9.8N 1千克的物体受到地球的吸引力是9.8牛顿。 含义:9.8N·m 推力点垂直作用在离磨盘中心1米的位置上的力为9.8N。 转速公式:n=60f/P (n=转速,f=电源频率,P=磁极对数) 扭矩公式:T=9550P/n T是扭矩,单位N·m P是输出功率,单位KW n是电机转速,单位r/min 扭矩公式:T=973P/n T是扭矩,单位Kg·m P是输出功率,单位KW n是电机转速,单位r/min 力矩、转矩和扭矩在电机中其实是一样的。一般在同一篇文章或同一本书,上述三个名词只采用一个,很少见到同时采用两个或以上的。虽然这三个词运用的场合有所区别,但在电机中都是指电机中转子绕组产生的可以用来带动机械负载的驱动“矩”。所谓“矩”是指作用力和支点与力作用方向相垂直的距离的乘积。 对于杠杆,作用力和支点与力作用方向相垂直的距离的乘积就称为力矩。对于转动的物体,若将转轴中心看成支点,在转动的物体圆周上的作用力和转轴中心与作用力方向垂直的距离的乘积就称为转矩。当圆柱形物体,受力而未转动,该物体受力后只存在因扭力而发生的弹性变形,此时的转矩就称为扭矩。因此,在运行的电机中严格说来只能称为“转矩”。采用“力矩”或“扭矩”都不太合适。不过习惯上这三种名称使用的历史都较长至少也有六七十年了,因此也没有人刻意去更正它。 至于力矩、转矩和扭矩的单位一般有两种,就是千克·米(kg·m)和牛顿·米(N·m) 两种,克·米(g·m)只是千克·米(kg·m)千分之一。如一楼的朋友所说,“1kg力=9.8N”。1千克·米(kg·m)=9.8牛顿·米(N·m)。 形象的比喻: 功率与扭矩哪一项最能具体代表车辆性能?有人说:起步靠扭矩,加速靠功率,也有人说:功率大代表极速高,扭矩大代表加速好,其实这些都是片面的错误解释,其实车辆的前进一定是靠发动机所发挥的扭力,所谓的「扭力」在物理学上应称为「扭矩」,因为以讹传讹的结果,大家都说成「扭力」,也就从此流传下来,为导正视听,我们以下皆称为「扭矩」。 扭矩的观念从小学时候的「杠杆原理」就说明过了,定义是「垂直方向的力乘上与旋

电机扭矩计算方法

电机转速和扭矩(转矩)计算公式 含义: 1kg=9.8N???? 1千克的物体受到地球的吸引力是9.8牛顿????? 含义:9.8N·m????? 推力点垂直作用在离磨盘中心1米的位置上的力为了9.8N。 转速公式:n=60f/P (n=转速,f=电源频率,P=磁极对数) 扭矩公式:T=9550P/n ????? T是扭矩,单位N·m ????? P是输出功率,单位KW ????? n是电机转速,单位r/min 扭矩公式:T=973P/n ???? T是扭矩,单位Kg·m ???? P是输出功率,单位KW ???? n是电机转速,单位r/min 形象的比喻: ????? 功率与扭矩哪一项最能具体代表车辆性能?有人说:起步靠扭矩,加速靠功率,也有人说:功率大代表极速高,扭矩大代表加速好,其实这些都是片面的错误解释,其实车

辆的前进一定是靠发动机所发挥的扭力,所谓的「扭力」在物理学上应称为「扭矩」,因为以讹传讹的结果,大家都说成「扭力」,也就从此流传下来,为导正视听,我们以下皆称为「扭矩」。 ????? 扭矩的观念从小学时候的「杠杆原理」就说明过了,定义是「垂直方向的力乘上与旋转中心的距离」,公制单位为牛顿-米(N-m),除以重力加速度 9.8m/sec2之后,单位可换算成国人熟悉的公斤-米(kg-m)。英制单位则为磅-尺(lb-ft),在美国的车型录上较为常见,若要转换成公制,只要将lb-ft的数字除以7.22即可。汽车驱动力的计算方式:将扭矩除以车轮半径即可由发动机功率-扭矩输出曲线图可发现,在每一个转速下都有一个相对的扭矩数值,这些数值要如何转换成实际推动汽车的力量呢?答案很简单,就是「除以一个长度」,便可获得「力」的数据。举例而言,一部1.6升的发动机大约可发挥15.0kg-m 的最大扭矩,此时若直接连上185/ 60R14尺寸的轮胎,半径约为41公分,则经由车轮所发挥的推进力量为15/0.41=36.6公斤的力量(事实上公斤并不是力量的单位,而是重量的单位,须乘以重力加速度9.8m/sec2才是力的标准单位「牛顿」)。 ???? 36公斤的力量怎么推动一公吨的车重呢?而且动辄数千转的发动机转速更不可能恰好成为轮胎转速,否则车子不就飞起来了?幸好聪明的人类发明了「齿轮」,利用不同大小的齿轮相连搭配,可以将旋转的速度降低,同时将扭矩放大。由于齿轮的圆周比就是半径比,因此从小齿轮传递动力至大齿轮时,转动的速度降低的比率以及扭矩放大的倍数,都恰好等于两齿轮的齿数比例,这个比例就是所谓的「齿轮比」。

齿槽转矩和定位力矩的概念

一、定位力矩:较高的气隙磁密与定转子双凸极结构会产生较大的定位力矩。定位力矩会引起电机运行时的转矩脉动、振动和噪声、运行不平稳等问题。 改善措施:注入谐波电流产生的转矩抵消定位力矩中的基波与二次谐波分量,从而达到补偿的目的。 步进电机:一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的。二、齿槽转矩:是永磁电机的固有现象,它是在电枢绕组不通电的状态下,由永磁体产生的磁场同电枢铁心的齿槽作用在圆周方向产生的转矩。它的产生来自于永磁体与电枢齿之间的切向力,使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势,试图将转子定位在某些位置,由此趋势产生的一种振荡转矩。 无刷直流电动机电枢铁心为了安放定子绕组必定存在齿和槽由于齿槽的存在,引起气隙的不均匀,一个齿距内的磁通相对集中于齿部,使得气隙磁导不是常数。当转子旋转时,气隙磁场的贮能就发生变化,产生齿槽转矩,这个转矩是不变的,它与转子位置有关,因而随着转子位置发生变化,就引起转矩脉动。 它与转子的结构尺寸、定子齿槽的结构、气隙的大小、磁极的形状和磁场分布等有关,而与绕组如何放置在槽中和各相绕组中馈入多少电流等因素无关。

齿槽转矩会使电机转矩波动,产生振动和噪声,出现转速波动,使电机不能平稳运行,影响电机的性能。同时使电机产生不希望的振动和噪声。在变速驱动中,当转矩脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时,齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。 注:定位力矩就是齿槽转矩!!! 二、不同削弱方法及对比分析 (1)斜槽或斜极: 定子斜槽或转子斜极是抑制齿槽转矩脉动最有效且应用广泛的方法之一,该方法主要用于定子槽数较多且轴向较长的电机。实践证明,斜槽使电机电磁转矩各次谐波的幅值均有所减小。而斜槽或斜极引起的绕组反电动势的正弦化将会增大电磁转矩纹波。斜极由于加工复杂、材料成本高而在工程上很少采用。 (3)分数槽法:此方法可以提高齿槽转矩基波的频率,使齿槽转矩脉动量明显减少。但是,采用了分数槽后,各极下绕组分布不对称从而使电机的有效转矩分量部分被抵消,电机的平均转矩也会因此而相应减小。 (5)闭口槽法: 定子槽不开口,槽口材料与齿部材料相同,槽口的导磁性能较好,所以闭口槽比磁性槽楔能更有效地消除转矩脉动。但采用闭口槽,给绕组嵌线带来极大不便,同时也会大大增加槽漏抗,增大电路的时间常

电机转矩的计算公式

电机转速和扭矩(转矩)计算公式(转载) 2010-01-11 12:03 含义:1kg= 1千克的物体受到地球的吸引力是牛顿。 含义:·m 推力点垂直作用在离磨盘中心1米的位置上的力为了。 转速公式:n=60f/P (n=转速,f=电源频率,P=磁极对数) 扭矩公式:T=9550P/n T是扭矩,单位N·m P是输出功率,单位KW n是电机转速,单位r/min 扭矩公式:T=973P/n T是扭矩,单位Kg·m P是输出功率,单位KW n是电机转速,单位r/min 形象的比喻: 功率与扭矩哪一项最能具体代表车辆性能有人说:起步靠扭矩,加速靠功率,也有人说:功率大代表极速高,扭矩大代表加速好,其实这些都是片面的错误解释,其实车辆的前进一定是靠发动机所发挥的扭力,所谓的「扭力」在物理学上

应称为「扭矩」,因为以讹传讹的结果,大家都说成「扭力」,也就从此流传下来,为导正视听,我们以下皆称为「扭矩」。 扭矩的观念从小学时候的「杠杆原理」就说明过了,定义是「垂直方向的力乘上与旋转中心的距离」,公制单位为牛顿-米(N-m),除以重力加速度9.8m/sec2之后,单位可换算成国人熟悉的公斤-米(kg-m)。英制单位则为磅-呎(lb-ft),在美国的车型录上较为常见,若要转换成公制,只要将lb-ft的数字除以即可。汽车驱动力的计算方式:将扭矩除以车轮半径即可由发动机功率-扭矩输出曲线图可发现,在每一个转速下都有一个相对的扭矩数值,这些数值要如何转换成实际推动汽车的力量呢答案很简单,就是「除以一个长度」,便可获得「力」的数据。举例而言,一部1.6升的发动机大约可发挥15.0kg-m的最大扭矩,此时若直接连上185/ 60R14尺寸的轮胎,半径约为41公分,则经由车轮所发挥的推进力量为15/=公斤的力量(事实上公斤并不是力量的单位,而是重量的单位,须乘以重力加速度9.8m/sec2才是力的标准单位「牛顿」)。 36公斤的力量怎么推动一公吨的车重呢而且动辄数千转的发动机转速更不可能恰好成为轮胎转速,否则车子不就飞起来了幸好聪明的人类发明了「齿轮」,利用不同大小的齿轮相连搭配,可以将旋转的速度降低,同时将扭矩放大。由于齿轮的圆周比就是半径比,因此从小齿轮传递动力至大齿轮时,转动的速度降低的比率以及扭矩放大的倍数,都恰好等于两齿轮的齿数比例,这个比例就是所谓的「齿轮比」。 举例说明,以小齿轮带动大齿轮,假设小齿轮的齿数为15齿,大齿轮的齿

齿槽转矩计算

Development of Analytical Equations to Calculate the Cogging Torque in Transverse Flux Machines M. V. Ferreira da Luz (1), P. Dular (2), N. Sadowski (1), R. Carlson (1) and J. P. A. Bastos (1) (1) GRUCAD, Dept. of Electrical Engineering, Federal University of Santa Catarina, Brazil. (2) Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, F.N.R.S., ULG, Belgium. Po. Box 476, 88040-900, Florianópolis, Santa Catarina, Brazil. E-mail of Corresponding Author: mauricio@grucad.ufsc.br Abstract - Cogging torque is produced in a permanent magnet machine by magnetic attraction between the rotor permanent magnets and the stator teeth. It is an undesirable effect that contributes to torque ripple, vibration and noise of the machine. In this paper, the resultant cogging torque values are computed using a three-dimensional (3D) finite element analysis. For this, the rotor movement is modeled by means of the moving band technique in which a dynamic allocation of periodic or anti-periodic boundary conditions is performed. The 3D finite element method is the most accurate tool to carry out cogging torque. However, it does not easily allow a parametric study. For this reason, an analytical model was developed in order to predict the cogging torque. The tools are intended to be used for the study of transverse flux machines. I.I NTRODUCTION Although permanent magnet (PM) machines are high performance devices, there are torque variations that affect their output performance. These variations during one revolution arise from factors as: commutation of the phase currents; ripple in the current waveform caused by chopping; variations in the reluctance of the magnetic circuit due to slotting as the rotor rotates. This last effect is called cogging [1]. Cogging torque arises from the interaction between permanent magnets and slotted iron structure and occurs in almost all types of PM motors. It manifests itself by the tendency of a rotor to align in a number of stable positions even when the machine is unexcited, and results in a pulsating torque, which does not contribute to the net effective torque. Therefore, one major task in developing PM machines is to minimize the cogging torque. Several methods are known. Some researchers minimize the cogging torque by skewing, an asymmetric distribution of the magnets or pole shifting [2]. Others works consider the relative air-gap permeance by modeling the shape of slots, the tooth width, or using teeth pairing, extra slots or notches in the teeth [3]. Others works control the function of the magnetization manipulating the shape of the magnets, the magnetization of the magnets themselves, the pole arc to pole pitch ratio, and the shape of the iron core [4]. To verify the effects of machine geometry on the cogging torque is important to determinate its waveform. The electromagnetic torque can be calculated analytically or numerically in a variety of ways, such as Maxwell Stress and co-energy methods. However, they require very accurate global and local field solutions, particularly for the determination of cogging torque. In other words, a high level of mesh discretisation is required in a finite element method (FEM) calculation, whilst a reliable physical model is essential to an analytical prediction. A lot of work has been done on prediction of cogging torque in PM motors. They are divided into three groups. The first group uses analytical approaches [4, 5]. The second group uses the bi-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) FEM simulation [6] and the third one uses a combined numerical and analytical method [7]. In the last years we have developed a set of numerical tools for efficiently studying PM machines with FEM. A 3D magnetodynamic formulation, using the magnetic vector potential as the main unknown, discretized with edge finite elements, has been developed with adapted techniques for considering stranded conductors, periodicity and anti-peridodicity boundary conditions, moving band connection conditions and moving parts. The rotor displacement is modeled by means of a layer of finite elements placed in the air gap [8]. This method, named Moving Band Method, uses an automatic relocation of periodicity or anti-periodicity boundary conditions allowing the simulation of any displacement between stationary and moving parts of an electrical machine. The 3D FEM is the most accurate tool to carrying out cogging torque. However, it does not easily allow a parametric study. Moreover, the 3D simulation demands a high computation time. Hence, the purpose of this paper is to develop an analytical model and to compare it with 3D FEM for a transverse flux machine. This comparison allows finding an analytical model fast and precise to study the cogging torque behavior in order to satisfy some industrial design constraints for machines. The contribution of this paper could be divided in two aspects: the first one is the cogging torque calculation using the Moving Band Method for a 3D problem considering two moving bands in the same motor. The second aspect is the development of the analytical model to the transverse flux permanent magnet (TFPM) machine. TFPM machines have been found to be highly viable candidates in electric and hybrid propulsion applications [6]. Of particular interest are the double-sided topologies where high energy permanent magnets are mounted in the rotor rims in a flux concentration arrangement, yielding high air gap flux densities. The topology of such a machine requires 3D finite

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