- 頭條減小表貼式永磁同步電機齒槽轉矩的新方法2019-05-15 作者：鮑曉華、吳長江等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語合肥工業大學電氣與自動化工程學院的研究人員鮑曉華、吳長江等，在2018年第18期《電工技術學報》上撰文指出（論文標題為“軸向永磁體組合削弱表貼式永磁同步電機齒槽轉矩的方法”），永磁同步電機在高性能控制系統中得到了越來越多的應用，但永磁同步電機特有的齒槽轉矩會影響系統的控制精度。針對表貼式永磁同步電機存在的齒槽轉矩問題，提出一種在電機轉子軸向組合不同永磁體的方法來減小齒槽轉矩。
合肥工業大學電氣與自動化工程學院的研究人員鮑曉華、吳長江等，在2018年第18期《電工技術學報》上撰文指出（論文標題為“軸向永磁體組合削弱表貼式永磁同步電機齒槽轉矩的方法”），永磁同步電機在高性能控制系統中得到了越來越多的應用，但永磁同步電機特有的齒槽轉矩會影響系統的控制精度。針對表貼式永磁同步電機存在的齒槽轉矩問題，提出一種在電機轉子軸向組合不同永磁體的方法來減小齒槽轉矩。
首先，分析齒槽轉矩產生原因，基于能量法和傅里葉分解法分析齒槽轉矩的表達式，并基于此公式推導出計算組合永磁體具體尺寸的方法。然后，利用有限元法檢驗此方法的有效性，并分析得出最優組合方案。將優化后電機的氣隙磁通密度和永磁體的用量與優化前的電機進行了對比，證明所提出方法是經濟而有效的。最后，對優化后電機的反電動勢諧波含量等其他性能進行分析，證明了本文所提出的轉子結構能夠提升電機的性能。
永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）具有高功率密度、良好的動態性能、在寬運行范圍保持高效率等優點。近年來，隨著高性能永磁體（Permanent Magnets, PMs）材料和控制技術的發展，永磁同步電機在不同的工業場所得到了廣泛的應用。
表貼式永磁同步電機具有結構簡單，加工成本低，能通過調整永磁體形狀提升電機的性能等優點，因此被運用于很多場合。但表貼式永磁同步電機具有更大的齒槽轉矩，齒槽轉矩是由永磁體與定子齒相互作用產生的，會影響電機控制的精度，并且會導致振動和噪聲。
在對控制精度要求較高的場合，必須減小電機輸出轉矩的脈動，轉矩脈動主要由齒槽轉矩和反電動勢與定子電流的諧波成分引起。齒槽轉矩能夠通過對電機本體進行優化設計得以抑制，通過調整電機各個部分的結構參數能使齒槽轉矩降至最小。
目前已有很多方法用來減小電機的齒槽轉矩，如優化永磁體的寬度，但這些方法在減小齒槽轉矩的同時會使電機的輸出轉矩減小，這是由于調整永磁體寬度會同時減小氣隙磁通密度幅值。文獻[11]提出厚度不等的永磁體能夠減小表貼式永磁同步電機的齒槽轉矩，這種方法是使永磁體形狀按正弦分布，從而使徑向氣隙磁通密度波形更加正弦化，氣隙磁通密度的諧波含量得以減小，進而達到減小電機齒槽轉矩的目的。但是這種方法會增大永磁體加工的難度并且浪費永磁體材料，實施起來并不經濟。
也有很多文獻研究了減小內置式永磁同步電機齒槽轉矩的方法，Wu Ren等提出不對稱的V型永磁體結構能夠減小內置式永磁同步電機的齒槽轉矩和轉矩脈動，但是這種方法會受到電機的旋轉方向影響，當電機的旋轉方向變化時轉矩脈動也會隨之變化。
文獻[16]提出采用永磁體偏移的方法減小電機的齒槽轉矩，這種方法既適用于表貼式永磁同步電機，也適用于內置式永磁同步電機。并且該文獻提出一種新的解析方法用于確定永磁體的偏移角度，這種方法能夠迅速確定永磁體的偏移角度，卻增加了加工的難度。
前人提出的很多方法都能夠有效減小電機的齒槽轉矩，但這些方法要么會增加永磁材料的用量要么會加大加工成本，并且一些方法還會削弱電機的氣隙磁通密度，這會導致電機的轉矩密度和其他一些基本性能變差。
本文提出一種在軸向組合不同的永磁體減小齒槽轉矩的新方法。這種方法與傳統方法相比能夠在消耗更少的永磁體的同時達到減小齒槽轉矩的目的。此外，這種方法不會使氣隙磁通密度的基波幅值過多的減小，這有利于提升電機的轉矩密度。
本文將對不同的永磁體組合方案進行對比分析，最終得出最優的組合方案，并且對電機的氣隙磁通密度分布和反電動勢進行研究，以說明此方法能夠提升電機的性能。
圖6 徑向氣隙磁通密度的空間分布
圖7 所提電機轉子上磁通密度分布
圖8 不同永磁體材料時電機的基波反電動勢與諧波畸變率
結論
本文提出一種將不同的永磁體組合于表貼式永磁同步電機軸向上用于減小電機齒槽轉矩的新型轉子結構。電機每一極由兩塊不同永磁體組成，其材料為NdFeB和SmCo，并且長度和寬度不同。通過理論分析和三維有限元分析驗證所提方法的有效性，并得出以下結論：
1）基于一臺1.8kW-6極的永磁同步電機，給出了這臺樣機的具體參數并利用所推導公式計算出每一極永磁體的具體尺寸。對比不同的永磁體組合后可以得出當NdFeB和SmCo所對應的極弧系數分別為◆p1=0.585，◆p2=0.749時是最優組合，電機齒槽轉矩能被減小至小于100mN?m，同時，減少了永磁體的用量。
2）組合后電機氣隙磁通密度的基波磁通密度幅值并不會減少很多，與單獨為SmCo永磁體時相比氣隙磁通密度基波幅值還有所提升，這有利于提升電機的轉矩密度。通過調整繞組匝數保持反電動勢基波幅值基本不變的同時，組合后電機反電動勢的諧波畸變率被減小至2.8%，這又能使電機的紋波轉矩減小。
本文所提出的轉子結構電機適用于對于控制精度要求高的場合。
