内置式永磁同步电机齿槽转矩优化分析
永磁同步电机极弧参数对齿槽转矩的影响
永磁同步电机极弧参数对齿槽转矩的影响一、引言永磁同步电机是一种高效、可靠且具有优异性能的电机，广泛应用于各个领域。
齿槽转矩是永磁同步电机的一个重要参数，它直接影响电机的输出转矩和性能。
本文将探讨永磁同步电机极弧参数对齿槽转矩的影响。
二、永磁同步电机的工作原理永磁同步电机是一种将电能转化为机械能的设备。
它的工作原理基于电磁感应和磁场相互作用的原理。
电机的转子上装有永磁体，通过与定子上的电流产生的磁场相互作用，实现电能到机械能的转换。
三、齿槽转矩的定义和计算方法齿槽转矩是永磁同步电机的一个重要参数，它表示电机在运行过程中的输出转矩大小。
齿槽转矩可以通过以下公式计算得到：T齿槽转矩=K齿槽转矩⋅B极弧⋅I d其中，K齿槽转矩是齿槽转矩系数，B极弧是极弧磁场强度，I d是直轴电流。
四、极弧参数对齿槽转矩的影响4.1 极弧磁场强度的影响极弧磁场强度是永磁同步电机中的一个重要参数，它直接影响齿槽转矩的大小。
当极弧磁场强度增加时，齿槽转矩也会相应增加。
这是因为极弧磁场强度的增加会增加转子上的磁场与定子磁场的相互作用，从而增大输出转矩。
4.2 直轴电流的影响直轴电流是永磁同步电机中的另一个重要参数，它对齿槽转矩也有一定的影响。
当直轴电流增加时，齿槽转矩会增加。
这是因为直轴电流的增加会增加定子磁场的强度，从而增大与转子磁场的相互作用，进而增大输出转矩。
五、影响齿槽转矩的其他因素除了极弧参数外，还有其他因素也会对齿槽转矩产生影响，包括但不限于： 1. 永磁体磁性能：永磁体的磁性能会直接影响齿槽转矩的大小，磁性能越好，齿槽转矩越大。
2. 转子结构：转子的结构对齿槽转矩有一定的影响，合理设计转子结构可以提高齿槽转矩。
3. 定子绕组：定子绕组的设计和布局也会对齿槽转矩产生一定的影响，合理的定子绕组设计可以提高齿槽转矩。
六、结论永磁同步电机的极弧参数对齿槽转矩有着重要的影响。
极弧磁场强度的增加和直轴电流的增加都会使齿槽转矩增加。
基于ANSYS Maxwell 2D内置式“V”型永磁同步电动机的转子结构优化-陈贤阳
[ Keyword ] interior; permanent magnet synchronous motor; magnetic pole shift; rotor eccentric; ANSYS Maxwell2D; cogging torque
1 前言
世界各国节能和环保的政策要求，电动汽车的研制和推广已得到广泛的关注，而对高
为槽数，
GCD（z，2p）
为
2p
和
z
的最大公约数。
由(6) ~(8)分析可知，当永磁体对称时，n 只有取值为 Np 的倍数时，该次谐波才不为零。
[6]
故可得知磁极偏移对整数槽永磁电动机的齿槽转矩的消弱是有明显效果的 。
3 磁极偏移对齿槽转矩的影响
利用 Maxwell 有限元分析软件，分析不同的磁极偏移角度时，电机齿槽转矩的变化情
已知一款汽车用永磁同步电动机的主要参数，基于 Maxwell2D 有限元仿真，采用磁极
[5]
偏移和转子铁芯的偏心距措施，使电机的齿槽转矩得到优化 。根据优化后电机尺寸参数
试制样机，利用电机实验平台，测得样机的性能符合要求。
1.1 永磁同步电动机主要技术参数
本方案主要技术指标如表 1 所示
表 1 主要技术指标
额定电压：183V
内置式永磁同步电机齿槽转矩优化分析
内置式永磁同步电机齿槽转矩优化分析任德江;黄渠;李建军;武宁【摘要】内置式永磁同步电机齿槽转矩会产生振动和噪声,同时也是设计和研究永磁同步电机必须考虑的关键问题.基于此,本文研究了W型内置式永磁同步电机齿槽转矩的产生机理,并针对性提出两种能有效降低齿槽转矩的方法.以4极36槽的内置式稀土永磁同步电机为例,采用有限元分析方法验证本文所提方法的正确性,并对比分析齿槽转矩优化前后的电机效率和功率因素.实验结果表明,在保证电机的效率和功率因素同时,改变内置式永磁同步电机的槽配合及永磁体宽度可以有效减小齿槽转矩,达到削弱永磁电机产生振动和噪声的目的.【期刊名称】《防爆电机》【年(卷),期】2019(054)004【总页数】5页(P4-7,43)【关键词】内置式永磁同步电机;齿槽转矩;有限元分析;能量法;麦克斯韦张量应力法【作者】任德江;黄渠;李建军;武宁【作者单位】广东理工大学自动化学院,广东广州510006;广东理工大学自动化学院,广东广州510006;广东理工大学自动化学院,广东广州510006;广东理工大学自动化学院,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TM303.30 引言稀土永磁体具有较好的导磁性能，利用它产生气隙磁场的永磁同步电机具有高效节能、功率因素高和可靠性高等优点。
然而，这类电机存在一个固有的缺点，电机静止时由于转子上永磁体产生的磁场和定子的齿槽之间相互作用产生齿槽转矩(如未特殊说明，以下齿槽转矩的单位均为牛米)，齿槽转矩会使电机的输出转矩产生较大的脉动，进一步产生振动和噪声，极大影响电机工作性能。
因而在设计和研发永磁电机时，对齿槽转矩产生机理和解决方法的研究显得尤为必要。
现有降低齿槽转矩的方法[1]很多，大致可分为两类，一是改变常规设计参数，二是对电机的某些结构进行优化。
可以通过改变电机的极槽配合、定子槽开口宽度、极弧系数大小等常规设计参数以降低齿槽转矩；优化电机结构主要包含定子斜槽、斜转子磁极、极槽配合、优化磁极形状、优化磁钢磁化方向、转子磁极移动、不同槽口宽配合、定子齿辅助槽、优化极弧系数、定子槽不均匀设计方法、永磁体分块、定子齿辅助槽等方法。
永磁同步电机极槽组合优化的研究
永磁同步电机极槽组合优化的研究尚海窦满峰陈敏赵祥珺【摘要】摘要齿槽转矩是影响永磁同步伺服电机低速平稳性的主要原因。
本文先通过能量转换概念分析了永磁电机的转矩特性，进而分析和推导了齿槽转矩的解析表达式。
针对4极12槽、15槽、18槽的不同极槽组合进行分析，从理论上得出4极15槽这种极槽组合可明显削弱齿槽转矩。
在这种极槽组合的基础上，通过合理的绕组连接，可改变磁链中的谐波分量和幅值，有利于反电势波形更趋于正弦波。
最后采用有限元对其进行仿真验证，证明上述提出的方法正确有效。
【期刊名称】科学技术与工程【年(卷),期】2014(014)011【总页数】5【关键词】关键词齿槽转矩极槽组合反电势正弦波有限元随着工业技术的发展，永磁同步电机在伺服场合中的应用越来越广泛，但由于永磁体和定子齿相互作用产生齿槽转矩，反电势中含有大量谐波，导致波形畸变率高，这些因素则会引起振动和噪声。
这种由上述因素产生的转矩脉动会严重影响永磁同步伺服电机的低速平稳性，增加精确位置控制的控制难度［1］。
目前，用于削弱齿槽转矩和反电势谐波的有效方法有:定子槽扭斜、闭口槽、永磁体扭斜、改变转子极弧系数、不对称磁极等。
但是斜槽会增加电机的制造成本;极弧系数优化和不对称磁极以及永磁体扭斜会不同程度地降低电机输出性能［2—4］。
相对上述方法，极数和槽数的组合方法可适度回避以上问题。
因为电机是一个典型的能量转换装置，结合能量转换的概念，分析了永磁同步电机的有效转矩和齿槽转矩之间的关系，推导了可定性分析齿槽转矩的解析表达式。
据此研究了15槽4极这种不常见的极槽配合对齿槽转矩和反电势波形的影响。
研究表明，通过与12槽4极和18槽4极电机进行数学解析比较，15槽4极这种极槽配合可有效削弱齿槽转矩。
经过合理的绕组布线，可以改变磁链中的谐波分量和幅值，有利于使反电势back-EMF波形更接近正弦波。
最后利用有限元法进行仿真验证，证明所提出的方法是正确有效的。
内置式永磁电机齿槽转矩的分析研究
图 2表示了利用有限元方法计算的一个典型的
齿槽转矩周期曲线图, 与上述规律互相对应, 得以论
证。有关有限元方法计算齿槽转矩的问题将在下文
内 置
详细阐述。
式
永
磁
电
机
齿
槽
转
矩
的 分
图 2 齿槽转矩的一个周期曲线图
析 1. 2 能量法
研 究
齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和铁
心之间相互作用产生的转矩, 是由永磁体和与电枢
每槽导体数 极弧系数
额定功率 / kW
参数值 77 35 12
0. 75 14. 39
2. 2 齿槽转矩分析 根据文献 [ 7] 存在一个最佳永磁体跨距 m, 使
得齿槽转矩的基波最小, 即:
m=
k m
s
( 3)
式中: k 为整数;
s
=
2 Q
;
m
=
N Q
,
通常
0. 14 0. 17。
取值范围为
2009 年第 11期
K ey word s: interior pe rmanent m agnet m ach ine; finite e lem en t ana lys is; cogg ing torque; segmented
0引 言
与传统电励磁电机相比, 永磁电机具有结构简 单、运行可靠、体积小、效率高、电机形状和尺寸灵活 多样 [ 1 ] 等优点, 近年来在速度控制系统中得到了广 泛的应用。对内置式永磁电机而言, 因其高转矩、大 功率密度的特性而成为高效装置的一种理想选择。 内置式永磁电机的永磁体嵌入转子铁心内部, 在高 速时能够避免离心力引起的永磁体分离; 另一方面 由转子永磁体和定子齿槽相互作 用而产生齿槽 转 矩, 引起噪声和振动。若能有效地减小其齿槽转矩, 永磁电机的应用将更为广泛, 如高精度控制系统、机 器人、潜艇推进系统等。
永磁同步电动机齿槽转矩的补偿方法
永磁同步电动机（PMSM）的齿槽转矩（Cogging Torque）是由于定子和转子齿槽结构之间的相互作用导致的一种非线性力矩，它在电机旋转过程中会引起周期性的扭矩波动，对电机平稳运行、低速性能及定位精度造成影响。
以下是一些常见的补偿方法：
1. 设计优化：
- 改变齿槽形状：通过采用斜槽、不等分槽或错齿技术来改变定子和转子槽的几何形状，减少齿槽效应产生的均匀间隔的磁场分布。
- 调整极槽配合：例如使用斜极技术，使得磁极与槽之间不对齐，从而分散齿槽转矩峰值。
2. 磁极弧度修正：
- 磁极弧度的微小变化可以减小齿槽转矩，通过精确计算和制造工艺实现磁极形状的小幅修正。
3. 电气补偿：
- 注入反向电流：通过控制算法，在电机运行时向定子绕组注入特定的反向电流，以抵消齿槽转矩的影响。
- 磁场定向控制系统中的补偿算法：在高级矢量控
制中，利用观测器或模型预测控制器（MPC）估计并实时补偿齿槽转矩。
4. 机械补偿：
- 转子或定子结构上的机械预加载，虽然这种方法不常见且实施复杂，但在某些特殊应用中可能会用到。
5. 软件补偿：
- 在伺服驱动器的控制软件中加入齿槽转矩补偿算法，根据电机特性和实际测量数据进行动态补偿。
6. 材料和制造改进：
- 使用高磁导率材料或者优化铁芯叠片的厚度和绝缘涂层，减少气隙不均匀性。
现代电机控制技术通常结合多种方法共同作用，以有效降低永磁同步电动机的齿槽转矩，并提高其整体性能。
永磁同步电机齿槽转矩分析及削弱措施
永磁同步电机齿槽转矩分析及削弱措施摘要：永磁同步電机由于槽定子铁芯和永磁体之间相互作用会出现齿槽转矩，会产生非常大的噪音和振动，而且会对系统的控制精度造成影响，需要对永磁同步电机齿槽转矩进行分析。
文章首先对永磁同步电机齿槽转矩的原因进行了分析，然后对辅助齿高度和辅助齿宽度对齿槽转矩造成的影响进行了分析，并进行了验证。
关键词：永磁同步；齿槽转矩；削弱措施永磁电机的齿槽矩是转子永久磁体和铁芯齿槽相互作用下产生的磁阻转矩。
主要是因为定子齿槽和永磁转子磁极处于不同位置时，主磁路磁导会产生变化，即便是在电动绕组不通电的情况下，受齿槽转矩的影响，电机转子依然有停在圆周若干位置的趋势。
当电动机发生旋转时，齿槽转矩会表现为附加的脉动转矩虽然不会减少或者增加电动机的平均转矩，但是会引起噪音、电机振动、速度波动等，对电机定位的伺服性能和精度造成了比较大的影响，特别是在低速时产生的影响更大，为了提高电机运行的稳定性，需要解决齿槽转矩问题。
1 齿槽转矩出现的原理齿槽转矩主要是因为自身的物力结构产生的，永磁电机在实际运行过程中，齿槽矩会导致电机输出转矩产生脉动，并引起噪音和振动。
在实际运行过程中，当永磁磁极中心线和定子槽的中心线相互重叠，那么磁通在定子齿两侧产生的引力会互相抵消，这时齿槽转矩值为0。
而当永磁体逆时针旋转时，切向分力无法完全抵消掉，会产生一个齿槽转矩值。
定子齿和永磁磁极之间四种相对位置如图2所示。
在处于图1（a）的位置时，永磁体会和定子齿中心对齐，在转子齿侧面会产生相同的磁感应强度，并且受到的引起切向分量也一致，方向相反，会相互抵消掉。
将转子逆时针转动时如（b）所示，此时转子齿中心线会超前于磁极中心线，转子齿右半部分的磁场强度会高于转子齿左半部分的磁场强度，受到的引力切向量也不为零，受力方向和转子转动方向相反，表现为负值。
当定子磁极中心线和转子齿中心线之间的夹角变大时，会使和该齿临近齿的左半部分的磁感应强度变大，如（c）所示。
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 co5.齿槽转矩基波频率为： f c=N co n s=N co fpn s=fp(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=1sin(nN coθ+ϕn)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 cdθ，式中，磁共能：W c=∫Bθ22μ0d(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=LL gμ0∫rB nS gB 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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一个固有的缺点，电机
转 永磁体
产生的磁场和定子的齿槽 相 用产生齿槽
转矩" 特
， 齿槽转矩的单位均为
），齿槽转矩会使电机的输出转矩产生较大
的脉动，进一步产生振动和噪声，极
电机工
性能。
设计和研发永磁电机时，对齿槽
转矩产生机理和 方法的研究显得尤为必要。
4
有降低齿槽转矩的方法'1（，
分
为 ，一是
设计参数，二是对电机的某
韦张量应力法
DOI：10.3969/J. ISSN. 1008-7281.2019.04.02
中图分类号:TM303.3 文献标识码:A文章编号：1008-7281 (2019)04-0004-005
Optimal Analysis on Cogging Torque of the Built-in Permanent Magnet Synchronous Motors
对性提出两种能有效降低齿槽转矩的方法。以4极36槽的内置式稀土永磁同步电机为例，采
用有限元分析方法验证本文所提方法的正确性，并对比分析齿槽转矩优化前后的电机 和 •
因素。实验结果表明，
电机的效率和
，
内置式永磁同步电机的槽配合及
永磁
有 小齿槽转矩，达到 永磁电机产生振动和噪声的目的。
关键词 内置式永磁同步电机;齿槽转矩;有限元分析;能 法；
究不 极槽 5对齿槽转矩的 ， 并
定极槽 5 ，
槽对电机齿槽转矩的
彷爆临机
(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE)
2019年第4期 第54卷( 209期)
进行了 分析。文［3］研究转
对永
磁同步电机齿槽转矩的 ，并提出转子再设计
方法降低齿槽转矩，结表 提方法 小齿
槽转矩的 还能提高电机的输出转矩；文
2019
第54 (
4期 209期)
(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE)
内置式永磁同步电机齿槽转矩优化分析
任德江，黄渠，李建军，武宁
(广东理工大学自动化学院，广东广州510006)
摘要内置式永磁同步电机齿槽转矩会产生振动和噪声，
是设计和研究永磁同步电
机必须考虑的关键问题。基，本文研究了 W型内置式永磁同步电机齿槽转矩的产生机理，并
［4］研究了 W型内置式永磁同步电机中磁
角对齿槽转矩的 ，
对定子齿 进行再
设计以降低饱和,有限元 结果表 提方法
的有效性和科学性。
文研究对象均为表贴
式永磁同步电机，而对内置式永磁同步电机的齿
槽转矩研究较少$
的是,并不是 三类方法都能有效
降低所有类别永磁同步电机齿槽转矩，即使能
够降低电机的齿槽转矩，考虑对电机、功
法本质是 电机总磁通不变，对电机磁场的能 对位移进行 $齿槽转矩定义为电机电枢绕
Key words Built-in PMSM； cooging torque; finite-element analysis ; energy method; Maaweosteestensoemethod
0引言
稀土永磁 有较好的导磁性能，利用它产
生气隙磁场的永磁同步电机具有
能、功率
和可靠性 优点。然，这电机 :
结构进行优化。
过 电机的极槽配
合、定子槽
、极 数大小
设计参
数以降低齿槽转矩;优化电机结 要 定子
槽、斜转子磁极、极槽配合、优化磁极形状、优化
磁钢磁化方向、转子磁极移动、不 槽
合、
定子齿 槽、优化极 数、定子槽不 设计
方法、永磁体分块、定子齿 槽等方法。文 '2（ 过对齿槽转矩产生的机理进行分析， 研
其他性能 的 $本文以一台定子
36槽4极的W型内置式永磁同步电机为例，提出
两种削弱内置式永磁同步电机齿槽转矩的方法，有
限元 结果表明，选择合适的定转子槽配合
小齿槽转矩中的特定谐波分量;而优化内置式永
磁
其谐波总量最小化。
1齿槽转矩的分析
1-1齿槽转矩计算原理分析 用计算齿槽转矩的方法有能量法、麦
克斯韦应力张量法、有限元以及磁通磁动势一绘 法。本文主要是对第一种方法 分析，能
Ren Dejiang，Huang ，L' Jianjun，and Wu Ning
(School of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)
Abstrach Thc cogging torque of the built-in permaneni magnci synchronous motos (PMSM) wilt generate vibration and noise, and it V a key issue that must be considered in the design and study of PMSM. Based on this，tOiv papes studies the generation mechanism of coggingooaqueoGV-oFpebuito-in PMSM， and paoposesowomeohodsooeeooivetFaeduoeoheoogging torque in pertinence. Taking a 4-pote 36-slot built-in rare-earth PMSM as an example，the finite-element analysii method i adopted Os verify the cooectness of the proposed method，and the efficienco and powes tactos of the motos before and aftes optimizing the cooging torque are compared and analyzed. The expyimentat oesulto show that changing the slot combination and the permanent-magnet width can efectivvly reduco the cooging torque of tie motoe and achieve the purposs of weakening the vibration and noiss of PMSM.