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永磁力矩电动机定子槽参数对转矩脉动的影响
摘要：转矩脉动是衡量电机性能的一个重要指标，通过研究表贴式永磁力矩电动机的定子槽参数分析其参数变动对转矩脉动的影响。利用ANSYS软件的电磁仿真模块Maxwell对该电机进行有限元仿真，通过改变定子槽参数研究转矩脉动的变化趋势，找出该设计下的最优槽参数，为永磁电机的电磁设计提供参考。
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与传统的电动机相比，永磁力矩电动机具有高效率、高功率密度、高精度以及低速转矩等显著优势，同时，由于该类电机无需外部励磁，具备较高的可靠性和稳定性，因此，在工业自动化、交通运输、可再生能源领域以及家电办公等生活场所均有广泛的应用前景[1,2]。
但随着社会的发展，对永磁电动机的性能要求愈来愈高，转矩脉动对性能的影响也愈发突出。对于如何抑制永磁电动机的转矩脉动，提高电机稳定性，国内外一般采取两种方式：①改善电动机的结构，合理设计内部参数；②采用合适的控制程序进行优化。在电机设计前期，改善电动机内部结构相关参数是抑制转矩脉动的最优选择。对于电动机本体而言，转矩脉动受到斜槽度[3]、定子槽距、定子槽形参数等的影响[4]。常俊国等[5]通过探究电动机极数和斜槽度对转矩脉动的影响，找出了最优的转子斜槽度；牛超群[6]分析了定子齿宽和齿高对永磁同步电机转矩脉动的影响；李正阳等[7]通过研究定子槽参数对三相异步电机转矩脉动的影响，优化了电机性能。
目前国内外对于永磁力矩电动机转矩脉动的研究较少。本文以一台11.8 kW表贴式28极27槽的永磁电动机为例，在保证其余数值不变的情况下，利用ANSYS软件的电磁仿真模块Maxwell分析分数槽型参数变化对于低转速大转矩类型的永磁电动机转矩脉动的影响。
1、模型搭建
1.1电机设计参数
永磁力矩电动机的磁钢为表贴式结构，均匀分布在转子外侧，并采用充磁方式较为简单的平行充磁。电机绕组的结构采用集中式，线圈叠放层数为2层，其中并联支路数为1,相邻线圈的间隔为1槽。电机采用水冷方式进行冷却散热，避免电动机长时间运行导致内部过热，冷却水的流量为4 L/min。相关的电机设计参数如表1所示。
表1电机设计参数
1.2模型搭建与处理
采用ANSYS软件中的Maxwell模块对永磁力矩电机进行二维、三维模型的搭建。电机主要包含了轴、转子、永磁体、定子以及绕组等部件，其二维模型如图1所示。
图1电机二维模型
在模型搭建成功后，需要对模型进行一系列的前处理操作。
材料设定：将定子铁芯和转子铁芯材料设置为硅钢片，并依据设计目标选取合适的牌号和叠压系数；将永磁体的材料设置为钕铁硼，并设定其厚度为5 mm;同时将绕组的材料设置为铜，内部气隙材料为空气，气隙长度设置为0.8 mm。
运动区域设定：在模型中心位置绘制运动区域，其中包含了电动机的运动区域以及电动机定子的求解区域。
网格剖分设定：在模型中，将网格剖分方式设定为经典的Classic Mesh,对模型进行面网格划分。同时由于模型中定子与永磁体间的气隙间隔小但是情况复杂，在此区域内进行特殊设定，增强网格剖分效果。
绕组和激励源设定：电动机的相数为3相，因此需要将绕组按照设计要求分为U、V、W三组，并分别进行设置。同时，分别针对这三组进行激励设置。
边界条件设定：边界条件是电磁场求解的必要条件，在模型中选择矢量边界进行设置。
模型前处理完成后，在工程树中对模型的求解器进行设置。
2、研究内容
2.1槽型设置
针对分数槽的设计以及电动机低转速大转矩等特点，选择定子槽型为平底槽，相较于其他槽型，采用平底槽可以有效增加槽面积，提高铁芯利用率。平底槽的具体形状如图2所示，形状参数如表2所示。
图2平底槽槽型示意图
表2平底槽参数
2.2主要研究内容
文中主要探究定子槽尺寸HS2对永磁力矩电动机转矩脉动的影响。在保证电动机的槽满率在一定范围波动的情况下，通过改变HS2的数值进行研究。
首先，设定HS2的初始数值为40 mm,搭建电动机的初始模型，并进行初仿真，仿真时间设定为30 ms。转矩输出曲线如图3所示，其平均转矩值为791.63 N·m,转矩脉动值为5.31%。
依据电机设计原理，HS2可以设定为35 mm～45 mm区间中的值。因此在该区间中，以1 mm为变动步长，依次进行仿真，从而找出电动机性能最优的HS2数值区间，而后为进一步优化，在最优区间中以0.1 mm为步长，依次进行仿真，直至找出最优的HS2数值。
3结果分析
在模型仿真后，可以由Maxwell的结果后处理查看该模型的输出转矩曲线和求解数值。依据试验，可以得到在HS2设计区间内的输出转矩脉动数值，如表3所示。
图3转矩输出曲线
表3HS2设计区间内的输出转矩脉动数值
为使输出结果更直观，将所获得的仿真数据转化为折线图进行显示，使得定子槽参数对电动机输出转矩脉动的影响更便于观察，如图4所示。
图4输出转矩脉动折线图
为进一步优化电动机的设计性能，在得到的HS2最优区间[40.6,41.4] mm中，依次以0.1 mm为步长进行仿真，可以得到相应的输出结果，如表4所示。
表4HS2最优区间输出转矩脉动数值
为对输出结果进行更直观的观察，同样将所获得的仿真数据转化为折线图进行显示，如图5所示。
依据表4和图5中的数据分析可以确定，当定子槽参数HS2的数值趋近于41.2 mm时，电动机的输出转矩脉动值最小，这代表此时电动机拥有更好的性能和稳定性。
4、结论
针对永磁力矩电动机，文中利用ANSYS软件中的电磁模块Maxwell搭建模型，并进行了相应仿真试验。通过改变定子槽参数HS2的数值，探究其变动对永磁力矩电动机性能的影响趋势，找出该设计下HS2的最优参数，使得电动机的性能较初始设计得到了一定幅度的优化，为永磁力矩电动机的设计提供了参考。
图5HS2最优区间输出转矩脉动折线图
参考文献:
[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1997.
[4]孙兆琼,李定华,钱荣超.基于槽口偏移的永磁同步电动机齿槽转矩抑制[J].微特电机,2018,46(6):45-47.
[5]常俊国,卢有为.中小型三相异步电动机转子斜槽度数的选择[J].电机技术,2020(5):45-47.
[6]牛超群.永磁同步电机定子槽型对转矩脉动的影响分析[J].船电技术,2020,40(3):37-40.
[7]李正阳,万熠,夏岩.基于Maxwell定子槽参数对三相异步电机转矩脉动的影响[J].精密制造自动化,2022(3):10-13.
文章来源:葛海婷.永磁力矩电动机定子槽参数对转矩脉动的影响[J].机械工程与自动化,2024,(04):60-62.
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