王棟梁，陳維

（ 1.王棟梁 康力電梯股份有限公司，江蘇 蘇州 215211；2.陳維無錫中基電機制造有限公司，江蘇 無錫 214046 ）

從轉矩波動角度探討集中繞組永磁電機電磁設計

王棟梁1，陳維2

（ 1.王棟梁 康力電梯股份有限公司，江蘇 蘇州 215211；2.陳維無錫中基電機制造有限公司，江蘇 無錫 214046 ）

轉矩波動包括齒槽轉矩和紋波轉矩，是永磁電機的固有問題，其平均值為零，不會增加電機的平均轉矩，但會導致電機轉速產生波動、噪聲等影響并對電機的精確控制產生較大影響。

轉矩波動；集中繞組；永磁同步電機

0 引言

永磁同步電動機的定子繞組結構具有分布式和集中式兩種，集中式繞組比傳統(tǒng)的分布式繞組有著更加明顯的優(yōu)點：線圈端部尺寸較短，減少繞組端部銅線的浪費，可使結構尺寸更加緊湊；可自動繞線，工藝簡單，生產效率大大提高，實現大規(guī)模自動化生產。如今，關于分數槽集中繞組的關注度越來越高，在工業(yè)機器人、交通驅動等領域得到了廣泛應用，優(yōu)化電機的轉矩品質變的尤為重要。

1 概述

電磁設計是一個以結果為導向的設計過程，需要從設計指標去不斷調整優(yōu)化設計的基本參數。電機運行的平穩(wěn)性是電動機（曳引機）的一個重要技術指標，而影響電機平穩(wěn)性的主要指標是轉矩脈動，轉矩脈動包括齒槽轉矩和紋波轉矩。本文通過36槽32極分數槽集中式繞組永磁同步電動機為例，利用有限元分析軟件進行仿真分析，在轉矩波動的角度研究某些參數來探討集中繞組的電磁設計。并用有限元仿真數據和樣機試驗進行驗證。

2 性能

2.1 槽口寬度對電機性能影響

2.1.1 對齒槽轉矩影響

齒槽轉矩是由齒槽和鐵芯磁阻變化引起的位力矩。傳統(tǒng)的分布式繞組的齒槽轉矩隨著定子槽開口寬度的減小而減少，但在分數槽集中繞組沖片設計中這個經驗并不適合。由參考文獻（1）推導的集中繞組齒槽轉矩表達式：

式中

最低階齒槽轉矩對性能影響最明顯，公式簡化成最低階氣隙相對磁導與槽口寬度的關系：

圖1 槽口寬與齒槽轉矩的關系

圖1所示，隨著槽口寬增大，齒槽轉矩會經過0值，可見選擇適合的槽口寬度可以明顯減少齒槽轉矩，槽口寬度在7.8 mm時齒槽轉矩為0。但注意的是，過小會導致漏磁過多，過大又會使得齒部飽和嚴重。設計時還需要優(yōu)化槽口寬度與齒寬對于磁密值的取值。另外因沖片的加工導致的邊緣晶?；儗е麓判阅芨淖?，槽口寬實際選7.4 mm～7.6 mm較為合適。

圖2 有變量時槽口寬與齒槽轉矩的關系

2.1.2 對其他性能參數的影響

圖3 槽口寬與電流、效率關系

圖4 槽口寬與齒磁密的關系

2.2 斜極寬度對電機性能影響

從傳統(tǒng)的分布式繞組斜槽減少轉矩波動的經驗上看，是非常有效的措施，但隨斜槽寬度的增加電機的轉矩、功率、空載反電勢、效率下降，電磁損耗增加，所以斜槽的寬度需要在電機設計時應綜合考慮，否則會影響到電機的整體性能。

如果采用集中繞組斜槽，工藝加工上很難達到定子斜槽，在集中繞組結構中選用斜極的方案，使斜槽角度等效成斜極角度。通過有限元軟件對不同的斜槽模型進行分析，探討斜極在集中繞組中應用的效果。將數據導入Excel表格整理得到以下數據圖5。

隨著斜槽數的增加，平均轉矩呈降低狀態(tài)，且有加速下降的趨勢，轉矩波動值在斜槽角度為1.8°時降至最低，之后保持不變?？紤]到斜槽對功率、效率、損耗等的影響，斜槽度為1.8°最為適合。斜槽等效成斜極時，同樣斜極角度也定義1.8°?？捎行У貙⒅辈蹠r6%的轉矩波動降低為3.2%。

圖5 斜槽角度與額定轉矩、轉矩波動的關系

3 試驗

將分析得到的結果，試制36槽32極分數槽集中式繞組永磁同步電動機樣機進行測試，樣機的試驗數據和仿真結果吻合較好。電機振動試驗值為0.2 mm/s，小于國標要求的0.5 mm/s振動值。性能平穩(wěn)性良好，完全滿足電機運行要求，驗證了分析的正確性。

4 結語

本文以轉矩波動角度探討集中繞組電磁設計，通過公式和軟件有限元分析，提出齒槽轉矩與槽口寬和其他參數的關系，選擇合適的槽口寬度可以使齒槽轉矩接近于零，并且與永磁體厚度、氣隙長度、極弧系數沒有關系。槽口寬對電流、齒磁密影響也較為明顯，選取時要綜合考慮其影響。在傳統(tǒng)的分布式繞組中能較好抑制轉矩波動的斜槽方法，可在集中繞組中采用斜極等效，同樣使抑制轉矩波動效果明顯。

[1]莫會成.分數槽集中繞組永磁交流伺服電機齒槽轉矩分析[J].微電機.2011,44(8)；16-10.

[2]張琪.槽口跨度對分數槽集中繞組永磁電機齒槽轉矩的影響[J].電機與控制應用,2015,42(7).

[3]陳薇薇.分數槽永磁同步電機性能的研究及其諧波分析. 微特電機及永磁電機技術創(chuàng)新與發(fā)展論壇論文集[C].西安,2012.

[4]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京:機械工業(yè)出版社.1997.

[5]龔建芳.定子斜槽及非均勻氣隙對永磁同步發(fā)電機的性能影響[J].大電機技術,2008,(04).

Discussion on the Electromagnetic Design of Permanent Magnet Motor with Concentrated Windings in Terms of Torque Ripple

Wang Dong Liang1, Chen Wei2
( 1.CANNY ELEVATOR CO.,LTD.,Jiangsu 215211, China; 2.Wuxi MCM Electric Machinery Co.,Ltd, Jiangsu 214046, China )

Torque ripple including cogging torque and ripple torque are inherent problems of permanent magnet motors Its average value is zero, which will not increase the average torque of the motor, but will cause the motor speed fluctuations, noise and other effects and has a great influence on the precise control of the motor.

Torque ripple;Concentrated winding;Permanent magnet synchronous motor

TM358

A

1674-2796（2017）04-0015-03

2017-01-10

王棟梁（1993—）男，大學本科，主要從事永磁同步電機研發(fā)設計工作。