永磁电机齿槽转矩及其计算方法探究

合集下载

齿槽转矩形成的原因、对电机性能的影响和不同削弱方法的对比分析

齿槽转矩形成的原因、对电机性能的影响和不同削弱方法的对比分析一、齿槽转矩形成的原因及影响齿槽转矩Cogging torque，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[1]。

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[2]。

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。

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[3]。

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币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。

(2)磁极分块移位:由于转子斜极会使成本大大增加,并且加工工艺也会变得复杂,因而应用中往往采用磁极分块移位法,由通过计算得到磁极极弧系数,然后再把它优化,最后把几段分块磁钢沿周向错开一定角度安放来近似等效成一个连续的磁极[4],通常有两种移位方法:连续移位和交差移位,前者消除的是磁钢分块数目整数倍以外的所有齿槽转矩谐波成分,后者只能消除齿槽转矩的奇数次谐波,对偶数次谐波没有影响。

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。

表面式永磁电机齿槽转矩物理学解读及削弱方法

第４５卷第６期
２０１拄２
＇｜｝
ＭＩＣＲ０Ｍ０Ｔ０ＲＳ
Ｖ１４．Ｎｏ６ｏ．５．
６月
Ｊｎ２１ｕ．０２
表面式永磁电机齿槽转矩物理学解读及削弱方法
沈风顺，任雷，刘晋平
２１０）０１７（上海鸣志电器有限公司，上海摘
１０００００以上，低速转矩波动则小于２一３，甚至％％更低，１～％，这是指电磁转矩的波动与齿槽达％２转矩的合成，因此用于这类系统的永磁电机其齿槽转矩的值至少应小于额定转矩的１～％。％２正因为齿槽转矩的减小，对交流伺服系统控制精度的提高至关重要，所以在大约近２０年期间，也
ｒｄｃｎｈｏｇｎｒｕｓｓｍｍａｚｄｅｕｉｇｔｅｃｇｉｇｔｑｅｗａｕｏｉｒｅ．Ｍｅｎｉａｗｈｌｅ，ｂｔｄａｔｇｓａｄｄｓｄａｔｇｓｏｅｍｅｈｄｏｈａｖｎａｅｎｉｖｎａｅｆｈｔｏｓａｔｗｅｅｄｓｕｓｄａｄｉｔｄｃｄａｔａ．ｓｄｅｆｃｆｔｅｍｅｈｄｒｉｃｓｅｎｎｒｕｅｃｕ１ｕｅｆｔｏｔｏ．ｏｅｈＫｅｒｓｕｆｃｅａｅｔｍａｎｔｍｏｏ；ｃｇｉｇｔｒｕｙｗｏｄ：ｓｒｅｐｒｎｎｇｅｔｒｏｇｎｏｑｅ；ｐｙｉｓｐｎｉｌａｍｈｓｒｃｐｅ；ｒｄｃｎｔｏｓｃｉｅｕｉｇｍｅｈｄ；

槽口宽度对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩的影响

电扎与控制应用２０１５，４２（７）
研究与设计ｌＥＭｃＡ
槽口宽度对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩的影响木
张琪，粱冰洁，黄苏融，周翔（上海大学机电工程与自动化学院，上海
ｅｎｅｒｇｙｍｅｔｈｏｄａｎｄＦｏｕｒｉｅｒｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ．ＢｙｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＡｎｓｏｆｔＦＥＭｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅｉｎｌｕｆｅｎｃｅｏｆｓｌｏｔｏｐｅｎｉｎｇｏｆ
永磁电机选择合适的槽口宽度可显著抑制齿槽转矩，改善电机的转矩品质。采用有限元仿真与解析法两种计
算方法，得到的齿槽转矩随槽口宽度变化的规律是相似的，验证了解析式的有效性，为精细化设计提供了依据。样机测试结果与有限元仿真值基本吻合，进一步验证了仿真方法的正确性。关键字：齿槽转矩；分数槽；集中绕组；永磁电机；槽口宽度中图分类号：ＴＭ３５１文献标志码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２０１５）０７－０００１－０５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｏｇｇｉｎｇｔｏｒｑｕｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍｏｔｏｒｓｗｉｔｈｆｒａｃｔｉｏｎａｌ－ｓｌｏｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｗｉｎｄｉｎｇ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｆｏｕｉｒｅｒｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔｏｆａｉｒ — ｇａｐｐｅｒｍｅａｎｃｅｓｑｕａｒｅｎｄａｓｌｏｔ

内置式V型永磁同步电机齿槽转矩优化

内置式V型永磁同步电机齿槽转矩优化【摘要】本文针对内置式V型永磁同步电机齿槽转矩优化展开研究。

在探讨了研究的背景、目的和意义。

接着，对内置式V型永磁同步电机齿槽设计进行了分析，研究了其转矩特性，并探究了优化方法。

通过仿真实验结果分析，评估了齿槽转矩优化的效果。

在结论部分总结了内置式V型永磁同步电机齿槽转矩优化的成果，探讨了研究的启示，并展望了未来的发展方向。

本研究为提高内置式V型永磁同步电机的性能和效率提供了重要参考，对于推动永磁同步电机技术的发展具有积极意义。

【关键词】内置式V型永磁同步电机、齿槽、转矩、优化、设计、特性分析、方法探究、仿真实验、效果评估、总结、研究启示、未来展望1. 引言1.1 研究背景内置式V型永磁同步电机在电动汽车和工业领域等应用中已经得到广泛应用。

其优点包括高效率、高功率密度、低噪音和低维护成本。

内置式V型永磁同步电机在运行过程中常常会出现齿槽转矩不稳定的问题，影响了电机的整体性能和稳定性。

目前，针对内置式V型永磁同步电机齿槽转矩不稳定的问题，已经有一些研究和方法进行探讨和优化。

现有的研究大多集中在理论分析和实验验证方面，而对于齿槽转矩优化的具体方法和效果评估还有待进一步研究和深入探讨。

本研究旨在通过深入分析内置式V型永磁同步电机的齿槽设计和转矩特性，探究适合该类型电机的优化方法，并通过仿真实验结果的分析来评估齿槽转矩优化的效果。

希望能够为提高内置式V型永磁同步电机的性能和稳定性提供一定的参考和指导。

1.2 研究目的研究目的是通过对内置式V型永磁同步电机齿槽转矩的优化，提高电机的运行效率和性能稳定性，进一步推动电动汽车等领域的发展。

通过优化齿槽设计，减小电机的功耗和磨损，延长电机的使用寿命，降低维护成本。

本研究旨在深入探讨内置式V型永磁同步电机齿槽转矩的优化方法，为相关领域的研究和实践提供理论支持和实用指导。

最终的目的是推动电机技术的发展，推动清洁能源的普及和应用，为构建绿色低碳的社会提供技术支持和保障。

齿槽转矩形成的原因、对电机性能的影响和不同削弱方法的对比分析

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[2]。

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。

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币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。

1000kW变频调速永磁同步电机齿槽转矩分析

１０００ｋｗ
ｉｎｇＴＴｏｆ１０００ｋＷＶＶａｒｉａｂｌｑｕｃｎｃｙＳＡｎａｌｙｓｉｓｏｏｌ（ ’ ｇ￣ｉｎＲｏｒｑｕｅｏｌ０００ｋＷａｌｉａｂｌｃＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｐｅｅｄＣｏｎ［１ ’ ｏｌｌｂｚ ’ ＰｅｒｌｌｌａｎｃｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｃ）ｔｌＳＭｏｔｏｒｓ￣４ｂＪ－其 … ＺＵＩ／（ｌＺ）Ｊｏｇｇｒｑ
ＣＯｌ。ｅａｎｄｃｏｉｌ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｌｅａｓｉｂｌｅｉｎａｃｕａｔｌｍａｎｕｌｈｃｔｕｆｉｎｇａｎｄｐｒｏｃｅｓｓ．Ｋｅｐｖｏｒｄｓ：Ｔｈｅｃｏｇｇｉｎｇｔｏｒｑｕｅ；Ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ；Ｃｈｕｔｅ；Ｆｒａｃｔｉｏｎａｌｓｌｏｔ
ｃｏｇｇｉｎｇｔｏｒｑｕｅ．Ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｔｏｖｅｌｉｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｏｆｉｒｏｎ
须考虑和解决的关键问题。精确计算与行效削弱齿槽转矩已成为多年来永磁电机研究的难点与热点问题之一。

一种优化内置式永磁同步电动机齿槽转矩的方法和结构

一、概述随着电动汽车的快速发展，永磁同步电动机作为一种高效、环保的动力来源受到了广泛关注。

然而，永磁同步电动机在运行过程中存在转矩波动较大的问题，为了解决这一问题，本文将介绍一种优化内置式永磁同步电动机齿槽转矩的方法和结构。

二、永磁同步电动机的齿槽转矩问题永磁同步电动机的齿槽转矩是指由于定子齿槽与转子磁极之间的相对位置造成的磁链的波动，从而引起电动机转矩的波动。

这种波动会导致电动机的运行不稳定，噪音和振动增大，严重影响了电动机的性能。

三、优化内置式永磁同步电动机齿槽转矩的方法1. 通过仿真软件对电动机进行数值分析，找出齿槽转矩波动的原因以及最为显著的频率成分。

2. 设计新的齿槽形状，通过改变齿槽的几何参数和结构来减小磁链波动，降低转矩波动。

3. 在电机控制系统中加入转矩波动补偿算法，通过实时监测电动机的状态，对转矩波动进行补偿控制。

四、优化内置式永磁同步电动机齿槽转矩的结构1. 采用高精度加工技术，确保电动机齿槽的加工精度和表面质量，减小磁链波动对转矩的影响。

2. 优化定子绕组的结构，采用特殊的定子绕组设计，减小磁链波动对转矩的影响。

3. 配备高性能的磁性材料，使得电动机的磁场分布更加均匀，进一步减小磁链波动。

五、结论优化内置式永磁同步电动机齿槽转矩的方法和结构是一种有效的方式，能够显著改善电动机的运行稳定性和性能表现。

通过优化齿槽转矩的方法和结构，可以减小磁链波动对转矩的影响，降低电动机的噪音和振动，提升电动机的效率和可靠性，为电动汽车的发展提供了有力的支持。

随着相关技术的不断进步和完善，相信优化内置式永磁同步电动机齿槽转矩的方法和结构将在未来得到更广泛的应用。

六、优化内置式永磁同步电动机齿槽转矩的方法和结构的应用案例经过前期的理论分析和结构优化设计，优化内置式永磁同步电动机的齿槽转矩方法和结构得到了初步的成果。

下面将通过一个具体的应用案例来展示该方法和结构在实际电动机中的应用效果。

某汽车制造公司将该优化内置式永磁同步电动机应用于其新款电动汽车中，该电动机采用了优化后的齿槽结构和方法。

同步电机齿槽转矩

同步电机齿槽转矩1. 引言同步电机是一种常见的电机类型，其特点是转速与电源频率同步，因此也被称为频率同步电机。

同步电机的运行稳定性和精度要求较高，其中齿槽转矩是一个重要的性能指标。

本文将详细介绍同步电机齿槽转矩的概念、计算方法和影响因素，以及如何优化齿槽转矩。

2. 齿槽转矩的概念齿槽转矩是指同步电机在运行过程中，由于磁场的变化而产生的转矩。

同步电机的转子由永磁体或电磁体组成，当电机转子的磁场与定子的磁场不一致时，就会产生转矩。

齿槽转矩是由于电机的结构和工作原理而产生的，它可以影响电机的运行稳定性和输出性能。

3. 齿槽转矩的计算方法齿槽转矩的计算方法主要有两种：理论计算和实验测量。

3.1 理论计算理论计算齿槽转矩需要考虑电机的结构参数、电磁参数和工作条件等因素。

其中，最常用的计算方法是根据电机的磁路特性和电磁场分析原理，采用有限元分析或解析方法进行计算。

通过对电机的磁场分布和磁通密度进行建模和仿真，可以得到齿槽转矩的数值结果。

3.2 实验测量实验测量齿槽转矩的方法主要包括动态试验和静态试验。

动态试验是通过加载电机转矩来测量齿槽转矩的变化情况，可以得到电机在不同工作条件下的齿槽转矩特性曲线。

静态试验是通过固定电机转子位置，测量电机在不同电流或电压下的转矩，从而得到齿槽转矩的数值。

4. 齿槽转矩的影响因素齿槽转矩受到多种因素的影响，包括电机的设计参数、工作条件和控制方式等。

以下是一些常见的影响因素：4.1 电机的结构参数电机的结构参数包括电机的极对数、磁极形状和转子结构等。

这些参数会影响电机的磁场分布和磁通密度，进而影响齿槽转矩的大小和变化规律。

4.2 电机的电磁参数电机的电磁参数包括定子电阻、定子电感和转子电感等。

这些参数会影响电机的电磁特性和转矩输出，从而影响齿槽转矩的大小和变化规律。

4.3 电机的工作条件电机的工作条件包括电源频率、电压和负载情况等。

这些条件会影响电机的运行状态和电磁特性，进而影响齿槽转矩的大小和变化规律。

永磁同步电动机电磁转矩的计算

2Lef a12 b12
i arctan(a1 / b1)
式中, a1 傅立叶分解正弦项系数, b1 余弦项系数。得到气隙合成电动势为
E 2 fNKdp1
即可求解出永磁同步电动机的电磁转矩。
样机有限元计算
• 以一台32kW 的变频调速螺杆泵驱动永磁同步电动机为例进行计算, 求解区域为整个电机垂直于转轴的一个二维平面。电机结构示意图如图2所示, 样机采用径向充磁, 这样可以减小漏磁系数。
样机有限元计算
• 对建立好的模型划分网格剖分, 网格疏密程度影响计算的精确度以及分析计算速度, 如果分的比较稀疏, 计算速度会很快, 但计算结果精确度较低。反之, 网格剖分的比较密集, 那么结果更准确, 但速度会慢。给模型加载对称的三相负载电流。
样机有限元计算
求解后再处理可得到一个周期内的气隙磁密及其基波分量分布, 气隙矢量磁位及其基波分量分布如图3、图4所示。
麦克斯韦应力张量法
• 麦克斯韦应力张量法是由力学理论推导出的转矩计算方法。在二维电磁场中,作用于电机定子或转子上的切向电磁力密度
ft

1 u0
Bn Bt
• 电磁转矩由切向力产生,如果沿半径r的圆周积分,
则电磁转矩的表达式为
Ñ Tem

Lef u0
r2Br B d
麦克斯韦应力张量法
• 式中:r是位于气隙中的圆周半径; Br 、B 分别为半径r处气隙磁密的径向和切向分量。Lef 是电机等
小结
• 根据计算结果可看出, 麦克斯韦应力张量法计算的结果较磁通法更接近测量值, 相对误差更小, 这是因为磁通法计算所用的矢量磁位是通过傅立叶展开提取基波分量, 故磁通法所得结果没有考虑实际电机运行中的谐波效应。而麦克斯韦应力张量法考虑了气隙中各次谐波磁场效应。但在使用麦克斯韦张量法的时候需将定、转子间的气隙等分成两层, 而且需要划分更细的网格, 单元数和方程组也增多, 加大了计算的时间, 因此计算时应全面考虑。

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)。

永磁电机齿槽转矩及其计算方法探
究
永磁电机在现代工业中得到了广泛的应用。

其具有结构简单、高效率、起动性好等优点，成为了替代传统电机的一种重要选择。

其中，永磁电机齿槽转矩作为永磁电机的一种重要转矩，对于电机的正常运行以及电机的设计具有重要的意义。

本文将围绕永磁电机齿槽转矩及其计算方法进行探究。

一、永磁电机齿槽转矩的定义
永磁电机齿槽转矩是指永磁电机在正常工作情况下，由于转子上的齿槽与定子上的绕组磁场相互作用而产生的转矩。

这种转矩通常被称为齿槽力矩或绕组振动力矩。

由于永磁电机中永磁体的磁场是不变的，因此齿槽转矩与机械负载相关，是一种非线性转矩。

二、永磁电机齿槽转矩的计算方法
永磁电机齿槽转矩的计算方法通常使用磁场有限元分析方法来计算。

在进行磁场有限元分析之前，需要确定电机的几何尺寸、电气参数和材料参数等数据。

一般情况下，电机的几何尺寸和电气参数可以从电机的设计或测试数据中得到，而材料参数可以从材料文献中查询得到。

在进行磁场有限元分析计算时，需要定义电机的磁学模型，包括永磁体、绕组、铁芯等。

对于永磁体，通常采用固定磁场
法，即将永磁体的磁场作为固定磁场加入到有限元计算中。

对于绕组，通常采用从定子的电气模型中导出的电流密度来进行计算。

对于铁芯，通常采用线性磁化模型来模拟铁芯的磁性。

在定义好电机的磁学模型之后，可以使用有限元软件进行磁场计算。

在磁场计算过程中，需要考虑绕组的振动和磁通的冲击，以得到更加准确的齿槽转矩。

通过磁场有限元分析计算，可以得到永磁电机的磁场分布、齿槽转矩和力矩波动等数据。

这些数据可以用于电机的设计和优化，使电机能够满足实际工作条件的需求。

三、永磁电机齿槽转矩的影响因素
永磁电机齿槽转矩的大小和波动程度取决于多种因素。

其中，主要的影响因素包括永磁体的磁性、绕组的结构和参数、铁心的材料和形状等。

在永磁体的磁性方面，永磁体的磁场分布和磁场强度对于齿槽转矩的大小和波动都有重要的影响。

磁场强度越大，齿槽转矩就越大。

同时，磁场分布的均匀性和对称性也会影响齿槽转矩的波动。

在绕组的结构和参数方面，绕组的凸极度、绕组的匝数、电流密度和相位等参数都会影响齿槽转矩的大小和波动。

其中，凸极度越小、匝数越大、电流密度越小、相位越滞后，齿槽转矩就越小。

在铁芯的材料和形状方面，铁芯的磁导率、磁饱和特性和铁芯的形状都会影响齿槽转矩的大小和波动。

其中，磁导率越
大、磁饱和特性越小，齿槽转矩就越小。

铁芯的形状也会影响齿槽转矩的波动，一个合适的形状可以降低齿槽转矩的波动。

四、结论
永磁电机齿槽转矩是永磁电机的一种重要转矩。

齿槽转矩的大小和波动受到多种因素的影响，包括永磁体的磁性、绕组的结构和参数、铁芯的材料和形状等。

通过磁场有限元分析计算，可以计算得到永磁电机的齿槽转矩和力矩波动等数据，这些数据可以用于电机的设计和优化，使电机能够满足实际工作条件的需求。