內置式永磁電機齒槽轉矩削弱方法研究

張文超　張學義　王磊　韓玉桐　顏世龍　許明俊　化思展

摘要 為抑制永磁同步電機齒槽轉矩，減少電機振動與噪聲，提出一種定子齒頂開輔助槽與轉子外圓偏心的結構來抑制齒槽轉矩，提升電機的輸出性能．首先建立了定子齒頂開槽前后與主氣隙分布函數解析式，分析定子開槽與電機主磁場分布及齒槽轉矩的關系，同時分析了轉子外圓偏心后對齒槽轉矩的影響．以內置3相8極48槽V型永磁同步電機為例，利用有限元法對定子齒頂輔助槽個數、槽寬、槽深、槽位置以及轉子外圓偏心距等參數進行優化對比分析，獲得最優的參數匹配．結果表明：定子齒頂雙矩形對稱開槽以及轉子外圓偏心的方式能有效改善主氣隙磁場分布，抑制電機齒槽轉矩，優化后的電機氣隙磁密5、11、15、17諧波幅值下降明顯，電機齒槽轉矩峰值降低了59.6％，反電勢波形正弦性增強，平均轉矩提升，電機輸出性能明顯改善．關鍵詞 定子輔助槽;齒槽轉矩;主氣隙分布函數;轉子外圓偏心;永磁同步電機

中圖分類號TM351;TM359.9

文獻標志碼A

0 引言

與傳統的電勵磁同步電機相比，稀土永磁同步電機具有結構簡單、運行可靠、體積小、效率高等優點，廣泛應用于航空航天、工農生產、新能源汽車等領域［1］．但永磁同步電機穩定運行時存在齒槽轉矩，會引起電機振動與噪聲，影響電機輸出性能，降低電機運行可靠性與穩定性．因此，降低齒槽轉矩，提升電機輸出性能已成為高性能永磁同步電機的重要研究內容之一．

目前，國內外學者對削弱永磁電機齒槽轉矩已進行了大量的研究與分析，取得了一定成果．文獻［2］通過建立參數化掃描模型，對V型內置式永磁同步電機永磁體夾角、永磁體長寬比、氣隙長度進行仿真分析，得到了考慮以上三個變量的齒槽轉矩最優方案;文獻［3］通過偏斜定子降低橫向磁通電機的齒槽轉矩;文獻［4］對轉子分段斜極、非均勻氣隙情況下的內置式永磁同步電機進行齒槽轉矩的削弱;文獻［5］提出一種非對稱V型磁極偏移轉子結構，并通過選擇最佳的磁極偏移方式與角度，達到降低齒槽轉矩的效果;文獻［6］提出一種對定子槽口進行偏移的方法來降低齒槽轉矩，通過偏移適當的角度能夠有效降低齒槽轉矩;文獻［7］以雙層內嵌式永磁同步電機為例，采用磁極偏移與非均勻氣隙的方法來降低齒槽轉矩，并取得理想的效果．此外還有眾多學者利用在電機內部開設輔助槽的方法來降低齒槽轉矩．文獻［8-10］采用永磁同步電機轉子極面開輔助槽削弱齒槽轉矩的方法，通過選擇合適的輔助槽參數，將齒槽轉矩優化到最佳效果；文獻［11-13］以內置式永磁同步電機為例，研究了定子開設輔助槽數量、槽型、尺寸對齒槽轉矩的影響．

目前學者們對削弱齒槽轉矩的研究主要集中在對定子或者轉子單獨進行優化上，但對兩者同時進行優化的措施相對較少．因此，為降低齒槽轉矩，本文提出一種在定子齒頂開設輔助槽與轉子外圓偏心的組合方法，推導定子開槽時主氣隙長度分布函數表達式，分析定子開槽數量、輔助槽間距、輔助槽寬度及其深度對氣隙長度分布函數、齒槽轉矩的影響，同時對轉子外圓進行偏心處理，推導轉子外圓偏心時與齒槽轉矩之間的關系式．利用有限元法優化分析定子輔助槽參數、轉子外圓偏心參數及優化前后永磁同步電機的輸出性能，驗證分析的有效性．

1 齒槽轉矩原理

1.1 定子齒頂輔助槽與齒槽轉矩關系分析

1.1.1 定子齒輔助槽槽數與齒槽轉矩的關系

1.1.2 定子齒頂開槽主氣隙長度分布函數解析計算

1.2 轉子外圓偏心與齒槽轉矩關系解析

2 齒槽轉矩削弱分析

2.1 定子齒頂開槽數量對齒槽轉矩的影響

2.2 定子齒頂開槽形狀對齒槽轉矩的影響

不同輔助槽型對齒槽轉矩的影響有所差異，本文對比研究三角形槽、半圓形槽、矩形槽三種輔助槽型對齒槽轉矩的影響規律，三種槽型如圖6所示，保證三者的槽深與槽寬相同，仿真不同輔助槽型的齒槽轉矩波形如圖7所示．

由圖7可知，定子齒頂輔助槽不同槽型對電機齒槽轉矩的削弱效果不同，三角形、圓形、矩形三種輔助槽型對應的齒槽轉矩峰值分別為0.91、0.85和0.82 N·m，其中矩形槽對齒槽轉矩的削弱效果最明顯，因此本文選擇矩形輔助槽．

2.3 輔助槽與定子齒中心線角度γ對齒槽轉矩的影響

2.4 輔助槽槽寬ａ對齒槽轉矩的影響

2.5 輔助槽槽深b對齒槽轉矩的影響

2.6 偏心距h對齒槽轉矩的影響

3 優化結果分析

采用優化后的定子齒頂輔助槽與轉子外圓偏心距參數建立電機模型，仿真得到優化前后的齒槽轉矩對比如圖13所示．

由圖13可知，優化后的齒槽轉矩峰值與開槽前相比顯著降低，由1.14 N·m下降到0.46 N·m，降低了59.6％，優化效果明顯．優化前后的氣隙磁密以及氣隙磁密諧波對比如圖14和圖15所示．

由圖14和圖15可知，優化后的氣隙磁密波形正弦性增強，峰值有所提升，相比于優化前，氣隙磁密基波幅值略有增加，5、11、15、17次諧波幅值明顯下降．優化前后反電動勢波形以及諧波對比如圖16和圖17所示．

由圖16和圖17可知，相對于優化前，優化后的反電動勢波形走勢更趨于正弦，峰值略有提升，反電動勢基波幅值略有提升，9、11、13次諧波明顯下降．優化前后的電機輸出轉矩如圖18所示，優化前后目標參數對比如表2所示．

由圖18和表2可知，定子齒頂開輔助槽優化后，電機的轉矩峰值由240.32 N·m提高到251.69 N·m，提升4.7％，平均轉矩由220.94 N·m提高到231.65 N·m，提升4.8％，電機的轉矩脈動系數由9.4％下降到8.5％，與優化前相比降低9.6％，驅動電機輸出性能顯著提升．

4 結論

本文提出一種定子齒頂開設輔助槽與轉子外圓偏心的組合方法來削弱永磁同步電機的齒槽轉矩，詳細推導了開槽前后的氣隙長度分布函數，對比研究定子齒輔助槽對齒槽轉矩的影響，同時分析了轉子外圓偏心對齒槽轉矩產生的影響．利用有限元法對開槽數量、形狀、位置、槽寬、槽深等輔助槽參數與轉子偏心距進行優化對比分析．結果表明，當定子齒頂開兩個矩形輔助槽，輔助槽與定子齒中心線角度為1.6°，槽寬為1.4 mm，槽深為0.4 mm，轉子外圓偏心距為10 mm時，齒槽轉矩峰值降低了59.6％，電機齒槽轉矩明顯削弱，優化后氣隙磁密諧波幅值降低，反電動勢正弦性增強，平均轉矩提升4.8％，轉矩脈動降低9.6％，電機的輸出性能改善．

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Weakening cogging torque of built-in permanent magnet synchronous motor

ZHANG Wenchao ZHANG Xueyi WANG Lei HAN Yutong

YAN Shilong XU Mingjun HUA Sizhan

1School of Transportation and Vehicle Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255000

2Weifang Electric Motor Factory Co. Ltd，Weifang 262100

3Shandong Hapvoo Power Technology Co. Ltd，Zibo 255000

Abstract A structure of stator tooth jacking auxiliary slot and rotor outer circle eccentricity was proposed for Permanent Magnet Synchronous Motor （PMSM） to suppress the cogging torque and reduce the vibration and noise of motor thus improve the output performance of PMSM.The analytical formula of distribution function was established for the stator tooth top （before and after slotting） and the main air gap，thus clarified the relationships between the stator slotting and the main magnetic field distribution as well as the cogging torque.At the same time，the influence of the rotor outer circle eccentricity on the cogging torque was analyzed.The optimal parameter matching was obtained through optimization tests and comparative analysis of auxiliary slot parameters including slot number，width，depth，slot spacing and rotor outer circle eccentricity，via finite element method on a built-in 3-phase 8-pole 48-slot V-type PMSM.The results showed that the double rectangular symmetrical slotting on the stator tooth top and the eccentricity of the rotor outer circle can effectively improve the magnetic field distribution of the main air gap and restrain the cogging torque of the motor.The harmonic amplitude of the optimized air gap magnetic density 5，11，15 and 17 was decreased significantly，the peak value of the cogging torque of the motor was decreased by 59.6％，and the sine of the back EMF waveform as well as the average torque was increased，thus the motors output performance was significantly improved.

Key words stator auxiliary slot;cogging torque;principal air gap distribution function;rotor outer circle eccentricity;permanent magnet synchronous motor （PMSM）