谷昭斌　王佳良　榮暉　郗寧　石德昱

摘 要：永磁同步電機(jī)定子齒開(kāi)輔助槽可以有效抑制電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩。本文以一臺(tái)6槽4極的永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，通過(guò)有限元法建立電動(dòng)機(jī)電磁場(chǎng)模型，利用 ANSYS MAXWELL 軟件進(jìn)行有限元仿真，分析了定子開(kāi)輔助槽前以及開(kāi)輔助槽后對(duì)永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩大小的影響，并制作樣件進(jìn)行試驗(yàn)。仿真以及試驗(yàn)研究表明，合理設(shè)計(jì)定子齒的輔助槽可以有效抑制齒槽轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)噪聲。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī) 輔助槽 齒槽轉(zhuǎn)矩 有限元分析

Study on influence of stator auxiliary slot on cogging torque of permanent magnet synchronous motor

Gu Zhaobin Wang Jialiang Rong hui Xi Ning Shi Deyu

Abstract：The cogging torque of permanent magnet synchronous motor can be effectively suppressed by opening auxiliary slots in stator teeth. Taking a permanent magnet synchronous motor with 6 slots and 4 poles as an example， the electromagnetic field model of the motor is established by finite element method， and the finite element simulation is carried out by ANSYS MAXWELL software. The influence of the stator before and after opening the auxiliary slot on the cogging torque of the permanent magnet motor is analyzed. The manual sample is made and tested to prove the simulation results. The simulation and experimental results show that the reasonable design of the auxiliary slot of stator teeth can effectively suppress the cogging torque and reduce the motor noise.

Key words：Permanent magnet synchronous motor， Auxiliary slot， Cogging torque， FEA

1 引言

永磁同步電機(jī)在高性能控制系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，當(dāng)永磁同步電機(jī)應(yīng)用到EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)等領(lǐng)域時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大會(huì)使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯，將無(wú)法帶來(lái)良好的駕駛手感，有可能引起客戶(hù)關(guān)于振動(dòng)與噪聲問(wèn)題的抱怨。抑制永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的方法主要包括采用分?jǐn)?shù)槽繞組、定子斜槽和轉(zhuǎn)子斜極、優(yōu)化極弧系數(shù)以及定子齒開(kāi)輔助槽等。

本文研究在定子齒開(kāi)輔助槽，通過(guò)合理選擇輔助槽的尺寸，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步削弱永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。利用ANSYS MAXWELL軟件建立永磁電機(jī)模型，仿真分析定子開(kāi)輔助槽前以及開(kāi)輔助槽后對(duì)永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩大小的影響，并制作手工樣件進(jìn)行電機(jī)噪聲測(cè)試。

2 齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理

齒槽轉(zhuǎn)矩來(lái)源于電機(jī)本身結(jié)構(gòu)。當(dāng)永磁電機(jī)繞組不通電時(shí)，在電機(jī)內(nèi)部的齒槽與永磁體之間會(huì)有一個(gè)保持永磁體與齒槽相對(duì)位置不變的力，這個(gè)力沿著氣隙圓周方向的切向分力會(huì)阻礙永磁體與齒槽兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)力相對(duì)軸心對(duì)應(yīng)存在一個(gè)轉(zhuǎn)矩，這個(gè)轉(zhuǎn)矩便是齒槽轉(zhuǎn)矩。永磁電機(jī)運(yùn)行時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大會(huì)使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)增大，振動(dòng)和噪聲嚴(yán)重。

3 基于ANASYS MAXWELL的有限元分析

3.1 電機(jī)基本參數(shù)

為了研究輔助槽槽形尺寸對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，選擇永磁同步電機(jī)原型機(jī)進(jìn)行有限元仿真分析計(jì)算，電機(jī)的主要參數(shù)在表1中列出。

3.2 定子開(kāi)輔助槽前有限元分析

對(duì)定子開(kāi)輔助槽前的電機(jī)性能進(jìn)行仿真分析計(jì)算，仿真分析過(guò)程包括建模、定義材料屬性、分配材料、劃分網(wǎng)格、設(shè)置加載、邊界條件、求解以及后處理等，仿真結(jié)果齒槽轉(zhuǎn)矩為10.2Nm。

3.3 定子開(kāi)輔助槽后有限元分析

對(duì)于永磁電機(jī)，極數(shù)和槽數(shù)的不同配合形式，可以使齒槽轉(zhuǎn)矩的諧波次數(shù)不同，用表示齒槽轉(zhuǎn)矩的諧波次數(shù)：

式中：LCM（2p，z）為極數(shù)2p和定子槽數(shù)z的最小公倍數(shù)。

齒槽轉(zhuǎn)矩由各次fpn組成，且諧波的幅值同次數(shù)成反比，如果齒槽轉(zhuǎn)矩的fpn上升，則幅值下降。因此可以采用開(kāi)輔助槽的方法增大LCM（2p，z）從而達(dá)到減小齒槽轉(zhuǎn)矩的作用。由于本文電機(jī)采用的是6槽4極的配比，所以LCM（4，6）=12。當(dāng)在定子每個(gè)齒上開(kāi)單個(gè)輔助槽時(shí)，則LCM（4，12）=12，極槽的最小公倍數(shù)并沒(méi)有增大對(duì)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩并沒(méi)有減小的作用，當(dāng)在定子齒上開(kāi)兩個(gè)輔助槽時(shí)LCM（4，18）=36，對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩具有削弱作用。因此選擇在定子齒上開(kāi)對(duì)稱(chēng)半圓形雙輔助槽來(lái)降低電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。開(kāi)槽示意圖如圖3。θ為輔助槽位置角，R為輔助槽半徑大小。

對(duì)定子開(kāi)輔助槽后的電機(jī)性能進(jìn)行仿真分析，仿真分析過(guò)程包括建模、定義材料屬性、分配材料、劃分網(wǎng)格、設(shè)置加載、邊界條件、求解以及后處理等，仿真得到齒槽轉(zhuǎn)矩隨位置角度變化曲線圖，見(jiàn)圖4，齒槽轉(zhuǎn)矩隨輔助槽半徑大小變化曲線，見(jiàn)圖5，當(dāng)定子半圓形輔助槽尺寸位置角θ=79°，半徑為1.1mm時(shí)，此時(shí)具有最優(yōu)輔助槽時(shí)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖如圖6，為7.6mN.m，通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)看，定子開(kāi)輔助槽后比定子開(kāi)輔助槽前，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩下降2.6Nm。

3.4 試驗(yàn)方案

制作定子開(kāi)輔助槽前和定子開(kāi)輔助槽后的樣件進(jìn)行電機(jī)噪音對(duì)比測(cè)試，對(duì)定子開(kāi)輔助槽前的定子分別裝配電機(jī)原型機(jī)在消音室進(jìn)行噪音測(cè)試，測(cè)試時(shí)電源電壓12V，距離電機(jī)原型機(jī)50cm處測(cè)量，測(cè)量X、Y、Z三個(gè)方向噪音數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)，然后對(duì)三個(gè)定子加工輔助槽后分別裝配電機(jī)原型機(jī)進(jìn)行噪音測(cè)試，定子開(kāi)輔助槽前和定子開(kāi)輔助槽后均在占空比70%、占空比85%、占空比95%三個(gè)不同占空比的情況下均進(jìn)行測(cè)試，記錄噪聲數(shù)據(jù)。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)三臺(tái)樣件實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，三個(gè)占空比下，定子開(kāi)槽后比定子開(kāi)槽前噪音值均有3DB左右的下降，具體噪音測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，定子開(kāi)輔助槽對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩降低有較明顯作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ANSYS MAXWELL 軟件，對(duì)定子齒開(kāi)輔助槽前后的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了有限元分析仿真計(jì)算并進(jìn)行了噪音測(cè)試。分析結(jié)果表明，選擇合適的輔助槽尺寸，可以進(jìn)一步削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)的振動(dòng)與噪聲。

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