摘要：研究了2 mw永磁同步风力发电机的某些设计参数对齿槽转矩的影响。研究表明槽数和极数配合对齿槽转矩有重要影响，它也影响****斜槽和****极弧系数，也决定了辅助齿槽的****数值。该文引入了一个与槽数和极数成比例，而与它们的最小公倍数成反比例的利益因子来表示槽数和极数配合的好处。一般说来，利益因子越大，齿槽转矩也越大。仿真结果证明了提出方法的效果。

关键词：齿槽转矩；永磁；同步发电机；电机设计

中图分类号：tm315：tm313    文献标志码：a    文章编号：1001-6848 (2010) 07-0009-04

    在传统的风电系统中，风轮机必须通过齿轮箱和发电机相连接，齿轮箱的存在会使系统遭受机械故障，齿轮又是噪声的主要来源，还会引起功率损耗，并增加成本。因此为了增加系统的可靠性和降低维护费用，可以取消齿轮箱。由于永磁材料磁性能的改善和价格的降低，可用永磁体代替同步电机的励磁绕组，使永磁发电机极距减小，电机的转速可以设计得较低，因此永磁同步发电机是直驱风轮****的方法[l-2]。永磁同步发电机还具有结构简单、效率高等优点。然而，由于永磁电机磁路结构在空间呈周期性分布，在某些情况下会产生齿槽转矩，

因而会引起时片的速度脉动并带来振荡，齿槽转矩的存在会降低风轮机的切入速度，使风能转换系统的利用率降低。因此，降低齿槽转矩也是永磁同步风力发电机一个重要的设计目标。

    本文研究了2 mw永磁同步发电机某些设计参数对齿槽转矩的影响。特别是齿槽配合对齿槽转矩的影响，也考虑了齿槽配合与某些设计参数之间的关系，如齿槽配合与极弧、斜槽、辅助齿槽等设计参数之间的关系。

  永磁电机的齿槽转矩是由永磁体磁动势谐波和开槽引起的气隙磁导谐波共同作用产生的。当定转子存在相对运动时，处于永磁体极弧部分的电枢齿与永磁体间的磁导基本保持不变，因此这些电枢齿周围的磁场也基本保持不变，而与永磁体两侧面对应的由一个或两个电枢齿所构成的一小段区域内，磁导变化大，引起磁场储能变化，从而产生齿槽转矩。齿槽转矩定义为电机不通电时的磁场能量w相对于位置角的负导数，即：

    因此，齿槽转矩主要发生在磁极间的边缘磁场和定子槽区域之间，典型的齿槽转矩波形图如图l所示。从图中看出，当极间轴线分别与齿中心和槽中心对齐时瞬态齿槽转矩为零。齿槽转矩正的****和负的****值发生在极间轴线差不多与槽的边缘对齐的位置。

   

    为了便于分析，作以下假设：①电枢铁心的磁导率无穷大，永磁材料的磁导率与空气的相同；②除特别说明外，同一电机中的永磁体形状尺寸相同、性能相同、均匀分布；③铁心叠压系数为1。

    由假设得到：电机内存储的磁场能量近似为电机气隙和永磁体中的磁场能量：

  

    可知：磁场能量取决于电机的结构尺寸、永磁体的性能以及定转子之间的相对位置。对电机的齿槽转矩进行仿真，可将绕组的电源改为电流源，并将其值赋为零，此时电机的转矩就是齿槽转矩。

    由虚位移法可以得到齿槽转矩的表达式：

 

    由式(3)可以看出，齿槽转矩的频率与电机的极数和槽数的最小公倍数有关系。对每极槽数为整数的电机来说，在电机转过两个齿的时间内，齿槽转矩一般波动2次，经历两个周期。例如180槽，90极的电机其两个齿距内齿槽转矩波形图如图2(a)所