定子辅助槽对永磁同步电机齿槽转矩的影响研究

谷昭斌　王佳良　荣晖　郗宁　石德昱

摘 要：永磁同步电机定子齿开辅助槽可以有效抑制电机齿槽转矩。本文以一台6槽4极的永磁同步电动机为例，通过有限元法建立电动机电磁场模型，利用 ANSYS MAXWELL 软件进行有限元仿真，分析了定子开辅助槽前以及开辅助槽后对永磁电机齿槽转矩大小的影响，并制作样件进行试验。仿真以及试验研究表明，合理设计定子齿的辅助槽可以有效抑制齿槽转矩，降低电机噪声。

关键词：永磁同步电机 辅助槽 齿槽转矩 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

永磁同步电机在高性能控制系统中应用越来越广泛，当永磁同步电机应用到EPS转向系统电机等领域时，齿槽转矩过大会使转矩波动明显，将无法带来良好的驾驶手感，有可能引起客户关于振动与噪声问题的抱怨。抑制永磁电机齿槽转矩的方法主要包括采用分数槽绕组、定子斜槽和转子斜极、优化极弧系数以及定子齿开辅助槽等。

本文研究在定子齿开辅助槽，通过合理选择辅助槽的尺寸，实现进一步削弱永磁同步电机齿槽转矩的目的。利用ANSYS MAXWELL软件建立永磁电机模型，仿真分析定子开辅助槽前以及开辅助槽后对永磁电机齿槽转矩大小的影响，并制作手工样件进行电机噪声测试。

2 齿槽转矩产生机理

齿槽转矩来源于电机本身结构。当永磁电机绕组不通电时，在电机内部的齿槽与永磁体之间会有一个保持永磁体与齿槽相对位置不变的力，这个力沿着气隙圆周方向的切向分力会阻碍永磁体与齿槽两者相对运动，这个力相对轴心对应存在一个转矩，这个转矩便是齿槽转矩。永磁電机运行时，齿槽转矩过大会使电机输出转矩的脉动增大，振动和噪声严重。

3 基于ANASYS MAXWELL的有限元分析

3.1 电机基本参数

为了研究辅助槽槽形尺寸对电机齿槽转矩的影响，选择永磁同步电机原型机进行有限元仿真分析计算，电机的主要参数在表1中列出。

3.2 定子开辅助槽前有限元分析

对定子开辅助槽前的电机性能进行仿真分析计算，仿真分析过程包括建模、定义材料属性、分配材料、划分网格、设置加载、边界条件、求解以及后处理等，仿真结果齿槽转矩为10.2Nm。

3.3 定子开辅助槽后有限元分析

对于永磁电机，极数和槽数的不同配合形式，可以使齿槽转矩的谐波次数不同，用表示齿槽转矩的谐波次数：

式中：LCM（2p，z）为极数2p和定子槽数z的最小公倍数。

齿槽转矩由各次fpn组成，且谐波的幅值同次数成反比，如果齿槽转矩的fpn上升，则幅值下降。因此可以采用开辅助槽的方法增大LCM（2p，z）从而达到减小齿槽转矩的作用。由于本文电机采用的是6槽4极的配比，所以LCM（4，6）=12。当在定子每个齿上开单个辅助槽时，则LCM（4，12）=12，极槽的最小公倍数并没有增大对电机的齿槽转矩并没有减小的作用，当在定子齿上开两个辅助槽时LCM（4，18）=36，对齿槽转矩具有削弱作用。因此选择在定子齿上开对称半圆形双辅助槽来降低电机的齿槽转矩。开槽示意图如图3。θ为辅助槽位置角，R为辅助槽半径大小。

对定子开辅助槽后的电机性能进行仿真分析，仿真分析过程包括建模、定义材料属性、分配材料、划分网格、设置加载、边界条件、求解以及后处理等，仿真得到齿槽转矩随位置角度变化曲线图，见图4，齿槽转矩随辅助槽半径大小变化曲线，见图5，当定子半圆形辅助槽尺寸位置角θ=79°，半径为1.1mm时，此时具有最优辅助槽时电机齿槽转矩，此时电机的齿槽转矩波形图如图6，为7.6mN.m，通过仿真结果来看，定子开辅助槽后比定子开辅助槽前，电机的齿槽转矩下降2.6Nm。

3.4 试验方案

制作定子开辅助槽前和定子开辅助槽后的样件进行电机噪音对比测试，对定子开辅助槽前的定子分别装配电机原型机在消音室进行噪音测试，测试时电源电压12V，距离电机原型机50cm处测量，测量X、Y、Z三个方向噪音数据，记录数据，然后对三个定子加工辅助槽后分别装配电机原型机进行噪音测试，定子开辅助槽前和定子开辅助槽后均在占空比70%、占空比85%、占空比95%三个不同占空比的情况下均进行测试，记录噪声数据。

3.5 试验结果

通过三台样件实验结果来看，三个占空比下，定子开槽后比定子开槽前噪音值均有3DB左右的下降，具体噪音测试数据见表2，定子开辅助槽对齿槽转矩降低有较明显作用。

4 结束语

本文利用ANSYS MAXWELL 软件，对定子齿开辅助槽前后的齿槽转矩进行了有限元分析仿真计算并进行了噪音测试。分析结果表明，选择合适的辅助槽尺寸，可以进一步削弱齿槽转矩，降低电机的振动与噪声。

参考文献：

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[2]王秀和等.永磁电机.北京：中国电力出版社，2007.

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