永磁电机齿槽转矩研究

申爽

摘要：随着永磁材料性能和电气控制技术的发展，永磁电机在电梯行业的使用成为主流，然而永磁体与有槽定子铁心之间会产生齿槽转矩，因此齿槽转矩作为永磁电机特有的问题之一越来越被关注，因为齿槽转矩会引起电机振动，影响电梯的舒适度，传统的永磁同步电机定子齿槽使用一体式冲片叠装，新型的电机定子使用单个槽型进行拼接，采用此种设计一方面是为了使工艺可以简单化一点，另一方面也是为了提高电机的功率系数，但是拼接处会出现缝隙，影响到同步电机齿槽转矩的变化，因此为了寻找最优的拼接槽型，文章研究了定子拼接槽型对永磁同步电机齿槽转矩的影响。

关键词：永磁同步电机；齿槽转矩；拼接形状；有限元法

1 前言

隨着市场的需求，永磁同步电机的功率被要求越来越高，一体式的电机结构目前应用最为广泛，这样的电机需要的原材料面积是很大，材料的利用率不是很高，因此产生不少边角料，导致制造的成本高，还有受定子绕组嵌线工艺的影响，必须设计合适的定子槽口尺寸，因此为了满足这些要求进行定子齿槽拼装永磁同步电机槽转矩的研究。

2 定子拼装结构

拼装定子有两种结构，一种是有拼接槽的，拼接面向上并且向内还设置有拼接片，另一种也有拼接片不过是向外的。冲片的图形比较固定就是工字扇环形。多组定子叠片可以形成一个圆环形电机定子，首尾相连的两个接片是拼接槽和拼接片。拼接槽的形状是多种多样的，拼接片也如此，因此定子冲片的形状也是多种多样的，需要根据不同的使用条件进行选择，定子冲片形状决定因素有应用场合，还有就是工艺水平。不同的定子冲片形状决定着不同的加工难度，因此T型冲片和梯形冲片因为加工难度系数比较低就常常被选用。

3 齿槽转矩表达式

齿槽转矩是在电机不通电的情况下，铁芯和永磁铁之间相互作用产生的转矩，主要产生原因就是互相作用力的切向分量引起，齿槽转矩的表达式是一种角的负导数，这个角表示定转角的位置，磁场能量的表达式是在电机不通电的前提下根据齿槽定义的。电机内储存的能量计算方法是求和，包括永磁铁中的能量，还包括电机气隙中储存的能量，但是这种计算能量的方法也只是一个近似值，计算能量总和的前提条件是电枢铁芯的磁导率无穷大。磁场的能量由很多的因素决定，定转子的相对位置、永磁体的性能以及电机的结构等，根据这些特性就能够推导出来齿槽转矩的表达式了。表达式需要包含的参数有定转子相对位置变化的范围、表示整数的字母、分解系数（气隙磁密平方中的）、真空磁导率、定子轭内半径、电枢外半径等，这些参数综合在一起就可以表示转矩的变化周期。永磁体产生的气隙磁密平方傅里叶分解系数就是因为齿槽作用产生的。但是不是所有的分解系数都是由于齿槽转矩作用产生的，与次谐波的含量还是有关系的。谐波的含量随着谐波次数的增加而减少，较低次谐波受齿槽转矩的气隙磁密影响。

4 拼接槽形对齿槽转矩的影响

在研究拼接槽形对齿槽转距的影响时，主要以定子轭部的不同形状为参考依据，表贴式永磁铁的主要参数有定子外径、定子内径、转子最大外径、转子最小内径、最小气隙长度、最大气息长度、定子轭部宽度、定子齿部宽度、磁钢厚度、轴外径、输出转矩等。现在的电机工艺制作水平还不够高，有时会出现二次气隙，主要位置在拼装后的定子轭部，而且并不是小段的气隙，是一段距离的。电机的齿槽转矩回收气隙的形状和大小影响，气隙的长度需要测量有效的长度，有时比较长，就要提前进行简化，这样既使计算方式简便了，气隙长度计算的数值也更加准确了。主要谐波阶次对齿槽的转矩起到的作用是用来定性的，想要利用解析方法来测量，还是要参考气隙磁密平方傅里叶的分析法。定子冲片的形状是多种多样的，计算方法最常用的就是有限元法，为了更加谨慎的进行计算，最常选用的就是梯形的定子冲片，由于齿槽的转矩幅度是不同的，因此要将定子结构电机进行原始数据对比。气隙的最小长度往往是只有0.05毫米，拼接片与拼接槽之间的模型采取的是有限元法，但是由于各种因素限制，气隙长度不能够变得更小，因为拼装时或产生很多的意料之外的误差，机电制作过程还会产生很多工艺的变形问题。在拼接槽时能够使用的最优的拼装式永磁同步电机齿槽转矩拼接方法就是在进行仿真模拟时选择有限元法进行拼接。

一般情况下，横向磁通永磁电机当中的永磁体磁极的尺寸相对比较小。因此，合理、科学地确定永磁体的轴向长度与磁极间距对提升永磁体的利用效率与提高电机性能具有十分重要的意义。

主磁通并不是简单的随着永磁体轴向长度的增长而持续攀升，而是在磁极间距大于永磁体轴向长度4mm的时候，出现了其最高值。而后，永磁体轴向长度减短，主磁通出现加速下降的趋势。

这就是选择、确定永磁体轴向长度、磁极间距的理论基础与依据。但在具体实施过程中，若永磁体的轴向长度太短，会导致电机电感增加，严重影响换向。与此同时，还增加了加工难度，显著降低了机械的强度。因此，在具体设计过程中，应当使永磁体轴向长度尽量与磁极间距相接近，但是永磁体的轴向长度值不能过小。

在永磁体的磁极间距、电机极对数被确定的情况下，齿宽会对电机漏磁产生影响。一方面，若齿宽太小，会导致主磁极出现漏磁的现象；另一方面，若齿宽太大，将加重周边磁极对主磁极产生的不利影响。由此可见，合理选择并确定齿槽宽度对有效减少电机磁漏率、提升永磁利用效率具有至关重要的作用。

齿槽宽度值接近于永磁体宽度值的时候，主磁通出现峰值。其他尺寸磁极计算，结论与之相同。由此可见，在进行分析、设计的时候，应当尽量保持齿槽的宽度同永磁体的宽度一致，从而最大化的提升永磁体的利用效率与质量。

5 结束语

综上所述，文章是将一体式定子永磁电机和拼装式定子永磁电机互相比较的，对于轭部的不同种拼接类型进行比较，在分析各种理论研究时主要是根据有气隙的形状和大小决定，尽可能的让机械能够更加简便的运行。电机的齿槽转矩并不是越大越好，而是要尽可能地减小影响性能的参数，以便进一步提升工程的参数。

参考文献

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