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电动推杆的齿槽转矩及其削弱方法

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点击次数:更新时间:2018-05-26 14:05:05

电动推杆的齿槽转矩及其削弱方法

  电动推杆的齿槽转矩( Cogging torque)是电枢铁心的齿槽与转子永磁体相互作用而产生的磁阻转矩。由于电动推杆定子齿槽的存在,当永磁转子磁极与定子齿槽相对在不同位置时,主磁路的磁导发生了变化。即使电动机绕组不通电,由于齿槽转矩的作用,电机转子有停在圆周上若干个稳定位置上的趋向。所以,有文献又将齿槽转矩称为定位转矩( detent torque)。

当电动机旋转时,齿槽转矩表现为一种附加的脉动转矩,虽然它不会使电动机平均有效转矩增加或减少,但它引起速度波动、电机振动和噪声,特别是在轻负荷和低速时显得更加明显。在变速驱动时,如果齿槽转矩频率接近系统固有频率可能产生谐振和强烈噪声。另外在起动时,由于齿槽转矩的存在需要增大了最初的起动转矩,这对于一些无传感器控制方式就比较敏感;对于直驱式永磁无刷风力发电机则影响最低起动风速。对于单相永磁无刷电机,过大的齿槽转矩甚至使电机不能正常起动。

  为了降低永磁直流无刷电机的齿槽转矩,最彻底的办法是采用无齿槽结构,绕组贴在光滑的铁心表面上。这种无齿槽结构的直流无刷电动机已有系列产品,特别是适用于高速场合,有优异性能。对于有齿槽结构的永磁直流无刷电动机来说,为了降低永磁电机的齿槽转矩,可以采用所谓闭口槽或槽口加磁性槽楔方法。但大多数无刷电动机为了方便绕组嵌线通常还是采用开口槽结构,建议设计时适当降低气隙磁通密度,降低铁心饱和程度,特别是避免齿尖饱和,并参考如下所述方法,根据实际的设计目标选择合适的设计参数和技术措施。

  齿槽转矩是永磁电机特有的一种现象。因此,降低齿槽转矩通常是永磁电机设计的主要目标之一,也成为国内外许多学者分析研究的热点课题之一。分析永磁无刷电机齿槽转矩常基于解析法和有限元法,得到对具体电机齿槽转矩的预测。国内外已有许多学者大量文献对许多典型永磁电机进行研究,提出各种降低齿槽转矩的有效方法。

英国设菲尔德( Sheffield)大学的Z.Q.Zhu、D.Howe,国内山东大学的王秀和、杨玉波等学者和他们的研究团队对永磁直流无刷电动机的齿槽转矩发表过许多研究成果,很有参考价值。本章从永磁直流无刷电动机设计角度,介绍降低齿槽转矩的主要技术措施,包括采用分数槽绕组,优化磁极极弧宽和槽口宽,不等气隙和不等磁片厚度,斜槽和斜极,磁极分段错位,磁极偏移,齿冠开辅助凹槽等,为降低齿槽转矩的工程应用和进一步研究提供借鉴参考。

  为方便对下述降低齿槽转矩设计措施的理解,一个电机总的齿槽转矩可以理解为多个单元齿槽转矩的叠加。一个槽口一极间单元模型由一个定子铁心槽口和一个转子磁极极间组成,如图10-1所示,以槽口中心线为零点,当磁极极间中线处在零点位置,它们产生的磁阻转矩为零;当转子移开,磁极极间中线偏移零点位置时,由于磁阻变化产生了磁阻转矩力图将转子拉回平衡位置。单元齿槽转矩波形基本上呈现如图10-1式样。它们相对于槽口中心呈现中心对称,有正有负,其绝对值达峰值的位置大概在磁极极间中线相对在槽口边缘附近,然后衰减。正负峰值之间距离往往大于槽口宽。一台槽数为Z极数为2p电机的总齿槽转矩,可以理解为:对于每个槽口,面对2p个磁极极间产生的单元齿槽转矩的叠加,然后是Z个槽口齿槽转矩的叠加。这样,降低齿槽转矩各种设计措施的基本思路可以归纳为:

  1)调整槽口一极间单元模型的单元齿槽转矩波形,降低单元齿槽转矩幅值,调整峰值点位置,调整各次谐波相位;

  2)调整这些单元齿槽转矩在叠加时所处的相位关系,使之互相抵消或部分补偿,从而使总齿槽转矩得到削减。



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