注塑机用永磁同步电动机地齿槽转矩优化

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1、word注塑机用永磁同步电动机的齿槽转矩优化注塑机用永磁同步电动机的齿槽转矩优化 杨国龙 ( 某某海洋大学寸金学院，某某某某 524000)摘 要： 为了削弱一款注塑机用永磁同步电动机的齿槽转矩，改善其性能并使其能够平稳运 行。基于永磁同步电动机齿槽转矩产生的原理，分析了磁极偏移与齿槽转矩的关系，现通过采用 磁极偏移的方法可降低永磁电机的齿槽转矩。以一款注塑机用的 48 槽 8 极永磁同步电动机存在 较大的齿槽转矩为例，基于 Maxwell2D 建立其有限元模型，再将磁极偏移角度设为变量，通过扫描 分析得到最佳的偏移角度，仿真结果表明，将磁极偏移合适的角度可有效的削弱永磁电机的齿槽 转矩。该文

2、在优化注塑机用永磁同步电动机的齿槽转上具有较高的参考价值。 关键词 注塑机;永磁同步电动机;齿槽转矩;磁极偏移 引言 塑料制品与我们日常生活密切相关，而塑料 制品一般是通过注塑机注塑成型的，因此，注塑机 是塑料行业主要的制造设备之一。传统的注塑机 主要是通过三相异步电动机驱动，但是三相异步 电动机的体积较大，效率较低，并且在运行中噪 音、振动较大等缺点，而永磁同步电动机的体积 小、结构简单、高效节能和起动转矩大等优点，是一种新型的高效特种电机，因此，永磁同步电动机 可在注塑机中得到广泛应用。 由于永磁同步电动机本身存在的齿槽转矩问 题，特别是对于整数槽的永磁同步电动机则更为 明显。若不能有效削

3、弱永磁同步电动机的齿槽转 矩，将会导致其输出转矩的波动较大，进而产生较 大的振动和噪声，情况严重时甚至会影响到永磁 同步电动机的正常运行。因此，有必要对注塑机 用永磁同步电机的齿槽转矩进行优化。首先通过分析永磁同步电动机齿槽转矩产生 的原理，总结得出其齿槽转矩的表达式。根据推 导得到的齿槽转矩表达式，经过分析磁极偏移与 齿槽转矩的关系得出，若磁极偏移合适角度，能够 明显削弱永磁同步电动机的齿槽转矩。本文以一 款48 槽8 极注塑机用永磁同步电动机为例，利用 ANSYS 软件中 Maxwell2D 模块建立其有限元模 型，为了降低其齿槽转矩，将磁极的偏移角度设为 变量，在一定角度X围内进行扫描分

4、析得到一个 最佳的偏移角度，根据得到的最佳的偏移角度进 行仿真分析，结果表明，磁极偏移合适的角度使该 款永磁同步电动机的齿槽转矩得到明显的削 弱。 1 永磁同步电动机齿槽转矩产生机理1 1 齿槽转矩的产生机理 若永磁同步电动机的绕组不加激励时，其铁 心和永磁体之间的相互作用，可产生一个转矩，该 转矩则称为齿槽转矩，通常是由永磁体和电枢齿 的相互作用，产生的相互作用力中切向分量引起。 在永磁同步电动机中，如果其转子和定子间存在 着相对的运动，则在永磁体与永磁体极弧下的电 枢齿间，其磁导基本保持恒定，所以，位于该永磁 体极弧下的电枢齿周围磁场基本不变，然而，在一 些由永磁体两侧面对应一个或者两个电

5、枢齿所组 成区域内，由于在该区域内其磁导有较大的变化， 使磁场的储能有所变化，则形成了齿槽转矩。当 永磁同步电动机绕组不通电时，其磁场能量 W 对 于定子和转子位置角 的负导数被定义为齿槽转 矩，即1 2 齿槽转矩的解析分析 为了分析更为简便，可先作以下假设:若无特 殊说明，同一电机的永磁磁钢的形状和尺寸相同、 均匀分布和性能相同; 永磁电机的电枢铁心磁导 率无穷大;永磁材料的磁导率与空气相同，因此， 得到永磁电机内所储存的磁场能量，即由于永磁同步电动机的定、转子间的相对位置、永磁磁钢性能、结构尺寸决定其磁场能量 W， 沿电枢表面分布的气隙磁密可近似表示 将式( 3) 代入式( 2) ，经整理

6、可得，其磁场能 量又可以表示为式中， ( ，) 有效的气隙长度; Br( ) 永磁体 的剩磁; hm( ) 永磁体充磁方向长度沿圆周方 向的分布。若要得出齿槽转矩的表达式，可由永 磁电机内的磁场能量求得，由( 4) 可知，如果能傅 里叶展开式子 和 Br2( ) ，则 可到其磁场能量。 在永磁电机中，其永磁磁极是均匀分布，在区 间 /2p， /2p上， Br2( ) 的傅里叶展开为 式中， Br0 = pBr2、 Brn = Br2sinnp、 p磁钢的 极弧系数; p电机的极对数。 如果考虑永磁电机内电枢齿和永磁体之间的相对位置， 则 的傅里叶展开为 将式( 4) 、式( 5) 和式( 6)

7、 代入式( 1) ，则可得 出永磁电机齿槽转矩的表达式 式中， LFe电枢铁心的轴向长度; 1电枢外半 径; 2定子轭内半径; nnz/2p整数的整 数。1 3 分析磁极偏移与齿槽转矩相互影响 若将永磁同步电动机的磁极进行偏移，可在 ， 上分别对 Br2( ) 和 进行傅里叶分解， Br2( ) 的分布情况如图 1 所示， 1 2p分别为各个磁极所偏移的角度。图1 永磁体偏移时 Br2( ) 示意图 Br2( ) 傅里叶分解的表达式为 傅里叶分解的表达式和 前面分析得到的式( 6) 相同，同理，也可得到永磁 电机磁极偏移后的齿槽转矩表达式 式中， Branz和 Brbnz分别表示为其中 k 为

8、第 k 个磁极偏移的角度，当永磁体 不偏移时( 即 k =0) ，此时 Brbnz的值恒为零，此时 Branz可表示为只有当 n 为 Np 的倍数时， Branz才不为零， Np满足式中， 2p电机极数; z槽数，GCD( z， 2p) 2p 和 z 的最大公约数。 根据式( 10) 、式( 11) 、式( 12) 分析可知，当永 磁体均匀分布时，只有 n 为 Np 的倍数时，则该次 齿槽转矩的谐波不为零。由此可得，磁极偏移可 以明显削弱槽极配合为整数的永磁电机的齿槽转 矩。2 注塑机用永磁同步电动机尺寸参 数及有限元模型建立 已知一款注塑机用永磁同步电动机的尺寸参 数以及性能指标，如表1 所

9、示。 根据表1 给定的注塑机用永磁同步电动机尺 寸参数，利用 ANSYS 软件在 Maxwell 2D 中建立其 有限元模型，如图2 所示。 3 永磁同步电动机的磁极偏移分析 基于 Maxwell 2D 模块建立的有限元模型进 行分析，由于该款永磁同步电动机的磁极对称分 布，为了分析简便，可用Maxwell 2D 中的1/2 模型 进行分析。根据建立的有限元模型，该电机磁极 偏移的方向，如图3 所示，即将磁极1、 2 按逆时针 进行偏移，将磁极3、 4 按顺时针进行偏移，其中磁 极2、 3 偏移角度为 1，磁极 1、 4 偏移角度为 2。 为了满足实际工况需要， 1 和 2 需满足 2 =31

10、， 其中偏移角度 1 扫描X围可设为( 0，1 1) ， 2 扫 描X围可设为( 0，3 3) 。为了分析该款电机磁极偏移不同角度时，其 齿槽转矩变化的情况，从而寻找最佳的磁极偏移 角度使得齿槽转矩最小，利用变量参数优化法，在 Maxwell 2D 模块中将磁极偏移角度设为变量，在 设定的磁极偏移X围内进行扫描分析，从而得到 其齿槽转矩最小的磁极偏移角度，其磁极偏移不 同角度时对应齿槽转矩优化曲线，如图4 所示。 利用 ANSYS 软件进行扫描分析，得到磁极偏 移不同角度时的齿槽转矩曲线图，由此可得，各组 磁极偏移角度1， 2对应的齿槽转矩峰值，如 表2所示。 根据表2 可得，永磁同步电动机的

11、齿槽转矩峰 值和其磁极偏移角度并不是呈线性递减关系。在 已设定磁极偏移的角度X围内，其齿槽转矩峰值先 是随着其磁极偏移角度的增加而逐渐减小，当磁极 偏移到一个最佳的角度，其齿槽转矩峰值最小，若 磁极偏移角度继续增加，其齿槽转矩的峰值又逐渐 增加。因此，将磁极偏移到最佳偏移角度时可使其齿槽转矩减低到最小值，该款注塑机用永磁同步电 动机最佳偏移角度为: 磁极 1 偏移 0 9，磁极 2 偏移27，其齿槽转矩峰值仅为0047Nm。 4 注塑机用永磁同步电动仿真结果 及分析 利用有限元分析软件 Maxwell2D 模块进行扫 描分析，选取齿槽转矩峰值最小的一组 1， 2为 磁极最佳偏移角度，仿真分析得

12、出该款注塑机用 永磁同步电动机的磁极偏移和未偏移的齿槽转矩 曲线，如图5 所示。 根据图5 得出，该款注塑机用永磁同步电动 机磁极未偏移时，其齿槽转矩峰值为 0 710Nm， 当磁极偏移到最佳角度，得到其齿槽转矩峰值仅 为0 038Nm，故齿槽转矩峰值降低了0 672Nm， 而且当磁极偏移后，其齿槽转矩峰值仅占额定输 出转矩0 035%。将磁极偏移后的注塑机用永磁 同步电动机进行仿真分析，得到其输出转矩曲线， 如图6 所示。根据图6 得出，通过对该款注塑机用永磁同 步电动机的磁极偏移合适角度后进行仿真，得到 其平均输出转矩为 110 66Nm，而且转矩波动仅 0 2945Nm，仅为其额定转矩0

13、 27%，由仿真结果 可知，经过优化后，该款注塑机用永磁同步电动输 出转矩平稳。5 结语 本文目的是削弱一款注塑机用永磁同步电动机 的齿槽转矩，改善其性能，通过将磁极偏移的方法来 降低该款永磁同步电动机的齿槽转矩。基于变量参 数优化法，利用ANSYS 软件中的Maxwell 2D 模块进 行扫描分析，选择最佳一组偏移角度1， 2，即 0 9，2 7进行仿真，仿真结果表明，该款电机 经过优化后，其齿槽转矩降低了0 672Nm，仅占 额定转矩 0 035%，而且其平均输出转矩为 110 66Nm，其转矩波动仅为0 2945Nm，占其额 定转矩 0 27%。因此，若要降低注塑机用永磁同 步电动机的齿槽转矩，可采用磁极偏移的方法来 实现，且优化后该款永磁同步电动机的输出转矩 平稳，各项性能指标较好。该文为优化注塑机用 永磁同步电动机齿槽转提供了一定的参考价值。10 / 10