在不同文獻中,定位扭力有不同名稱,如齒槽定位扭矩、齒槽扭矩、磁阻扭矩等,美國文獻均稱為。定位轉(zhuǎn)矩是永磁馬達的固有現(xiàn)象,它是在定子定子不通電的狀態(tài)下,由永磁體形成的磁場同定子鐵心的齒槽作用在圓周方向形成的扭矩,又稱齒槽定位轉(zhuǎn)矩。它的形成來自于永磁體與定子齒之間的切向力,使永磁電動機的定子有一種順著某一特定方向與轉(zhuǎn)子對齊的趨勢,由此趨勢形成的一種振蕩力矩。它僅與定子的結(jié)構(gòu)規(guī)格、定子齒槽的結(jié)構(gòu)規(guī)格有關(guān),而與定子怎么放置在槽中和各相定子中饋入多少電壓等誘因無關(guān)。
定位扭矩對馬達性能的影響,在于定位扭力會使馬達慣量波動,使馬達不能平穩(wěn)運行,影響馬達的性能。同時使馬達形成不希望的震動和噪音(減速機噪音源分析及應對舉措)。在變速驅(qū)動中,當占空比脈動頻度與轉(zhuǎn)子或定子的機械共振頻度一致時,定位扭力形成的震動和噪音將被放大。定位扭矩的存在同樣影響馬達在速率控制系統(tǒng)中的低速性能和在位置控制系統(tǒng)中的高精度定位,隨著性能更好的永磁體的日漸廣泛使用,定位扭矩的問題愈發(fā)突出。
1.電磁場有限元法基本原理電磁場的剖析和估算一般歸結(jié)為求微分等式的解。對于常微分等式,只要由輔助條件決定任意常數(shù)以后,其解就是惟一的。對于偏微分多項式,使其解成為惟一的輔助條件可分為兩種:一種是抒發(fā)場的邊界所處的化學情況,稱為邊界條件;另一種是確定場的初始狀態(tài)如何判斷合力矩為零,稱為初始條件。邊界條件和初始條件也稱為定解條件。目前,馬達電磁場問題主要研究的是沒有初始條件而只有邊界條件的定解問題--邊值問題。因為齒槽的存在,使永磁體與所對著的定子表面間的氣隙磁導不均勻,形成磁阻力矩,導致馬達輸出扭矩脈動,在馬達定子沒有通電的時侯仍然存在,亦稱為定位轉(zhuǎn)矩。
定位轉(zhuǎn)矩會導致震動和噪音,在個別要求馬達工作有良好的平穩(wěn)性的應用場合,對扭矩波動有一定的限制。因而精確估算齒槽力矩,研究減少定位扭矩的舉措具有重要意義。定位扭矩的估算方式為,令柵極電壓為零,只有永磁電樞作用,在不同的定子位置進行電磁場有限元估算,求得定位扭矩隨定子位置的變化規(guī)律。
2.轉(zhuǎn)子槽開口長度對定位扭矩的抑制電磁場斥力簡略地跟磁路密度的平方成反比,通過改變開口槽的形狀可以減少定位轉(zhuǎn)矩。對于齒槽力矩的形成,轉(zhuǎn)子槽開口造成的氣隙磁導變化是一個重要誘因。許多技術(shù)都是針對降低氣隙磁導變化或建議起碼改善氣隙磁導的紋波頻譜,其中最直觀的方式是減少轉(zhuǎn)子槽開口長度或采用磁性槽楔。此種方式同樣使轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復雜化。更進一步,在一些特殊應用的場合或?qū)τ谔厥鈽?gòu)造的馬達(如盤式馬達)可采用無槽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),這樣有利于從根本上去除齒槽力矩。對無開口槽定子,定位轉(zhuǎn)矩也為零。降低轉(zhuǎn)子槽開口長度會降低嵌入定子難度。
定位扭力主要是由磁體和轉(zhuǎn)子槽口之間的互相作用造成的,因而降低開口槽間距才能有效地抑制定位轉(zhuǎn)矩。從有限元的仿真結(jié)果可知對24槽4極馬達如何判斷合力矩為零,定子槽開口長度越小,定位扭力越小。可見,降低轉(zhuǎn)子槽口長度,可以有效地抑制定位轉(zhuǎn)矩。