Elektrotehniški vestnik 74(4): 207-212, 2007 Electrotechnical Review: Ljubljana, Slovenija Konstrukcijski ukrepi za zmanjšanje samodržnega vrtilnega momenta sinhronskega motorja s trajnimi magneti Andrej Černigoj \ Rastko Fišer 2 1 ISKRA Avtoelektrika d.d., Polje 15, 5290 Šempeter pri Gorici, andrej.cernigoj@iskra-ae.com 2 Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška 25, 1000 Ljubljana, rastof@fe.uni-lj.si Povzetek. V članku je predstavljena problematika nezaželenega nihanja trenutne vrednosti vrtilnega momenta sinhronskega motorja s trajnimi magneti (SMTM). Vrtilni moment glede na nastanek delimo na tri komponente: elektromagnetno, samodržno in reluktančno. Glavnina raziskave je obravnava konstrukcijskih ukrepov na rotorju in statorju, s katerimi lahko zmanjšamo amplitudo samodržnega vrtilnega momenta. Za posamezen predlagan konstrukcijski ukrep sta opisana princip delovanja in ovrednotenje vpliva na obratovalne lastnosti SMTM s pomočjo parametričnega dvodimenzionalnega (2D) modela po metodi končnih elementov (MKE). V sklepu sta podana pregled in primerjava učinkov posameznih konstrukcijskih ukrepov ter njihova tehnološka in ekonomska upravičenost. Ključne besede: sinhronski motor s trajnimi magneti, nihanje vrtilnega momenta, samodržni vrtilni moment, metoda končnih elementov, analiza magnetnega polja Design techniques for reducing the cogging torque of a permanentmagnet synchronous motor Extended abstract. Many studies in minimization of the cogging torque in permanent-magnet synchronous motors (PMSM) have been presented [1, 2, 3]. This proves the high importance of minimization of the torque ripple not only in top quality PMSM motor drives but also in mass-produced PMSMs. In chapter 2 the paper quantifies the motor instantaneous torque M(a) into two components -constant component Msr and periodic component Mlzm. The latter gives rise to the undesired torque ripple (Fig. 1), caused by the following: • harmonics in the back EMF, • cogging torque, and • reluctance torque. Chapters 3 and 4 present various design techniques for reducing the cogging torque. The influence of magnet span am is described using a simple model (Fig. 2). A parametric 2D finite element method (FEM) model of a 36-slot and 6-pole PMSM was developed for the study (Fig. 3). In order to reduce the cogging torque, the magnet span had to be almost an integer number of the slot pitch (Figs. 4 and 5). Shifting of the permanent magnet (PM) poles was analysed with an upgraded FEM model (Fig. 7). The achieved significant reduction of the cogging torque is presented in Fig. 8. Prejet 21. januar, 2007 Odobren 15. marec, 2007 Various shapes and PMs magnetisation patterns (Fig. 9), dictate air-gap flux distribution and considerably effect the cogging torque (Fig. 10). A summary of the rotor design techniques is presented in Table 1. It is shown that they are all are very efficient. As to the stator, additional notches in its teeth were implemented (Fig. 11). A minimal cogging torque reduction can be observed in Fig. 12. This design technique can be effective in conjunction with some other method, such as skewing. A magnetic anisotropy of the laminated core is considered on a 12-slot and 10-pole PMSM because of its strong influence on the cogging torque in motors where the number of poles is close to the number of stator slots (Fig. 13). Keywords: permanent-magnet synchronous motor, torque ripple, cogging torque, finite element method, magnetic field analysis 1 Uvod Razvoj magnetnih materialov in komponent močnostne elektronike je pripomogel k uveljavitvi visokozmogljivih pogonov, ki zaradi čedalje večjih zahtev postajajo bolj kompleksni in izpopolnjeni. Kot električni motor se v takšnih pogonih uveljavlja sinhronski motor s trajnimi magneti (SMTM). Motorji SMTM so primerni za pogon najzahtevnejših aplikacij in zajemajo široko paleto moči ter specifičnih zahtev. Pri tem je poleg ustrezne karakteristike vrtilnega momenta in dobrih lastnosti med prehodnimi pojavi nujno obravnavati tudi problematiko nezaželenega nihanja trenutne vrednosti vrtilnega momenta. Dodatna nihanja vrtilnega momenta povzročajo težave pri zagonu in poslabšajo natančnost regulacije pozicije rotorja, odražajo pa se lahko tudi kot povišan nivo vibracij in hrupa motorja. Temi raziskave sta obravnava vzrokov nastanka in iskanje rešitev za zmanjšanje amplitude nihanja vrtilnega momenta SMTM. Pri iskanju rešitev smo se zaradi obsežnosti problematike omejili le na analizo vpliva geometrije rotorja in statorja motorja ter analizo uporabljenih konstrukcijskih rešitev. 2 Trenutna vrednost vrtilnega momenta Slika 1 prikazuje trenutno vrednost vrtilnega momenta motorja M(a) v odvisnosti od kota zasuka rotorja a. Zapišemo jo kot vsoto konstantne srednje vrednosti Msr in izmenične komponente Mizm s periodo t, ki predstavlja nezaželeno nihanje vrtilnega momenta (ang. torque ripple) [1]. M (a) = Msr + Mm (a) (1) Slika 1: Trenutna vrednost vrtilnega momenta motorja M(a). Figure 1. Instantaneous torque of a motor M(a). Pri načrtovanju SMTM konstrukter hitro naleti na enega najpogostejših problemov. Ob zahtevi za povečanje Msr se sočasno pojavi še zahteva za zmanjšanje nihanja vrtilnega momenta Mizm. Kakovost konstrukcije motorja torej določa tudi nivo valovitosti vrtilnega momenta p = M max - Mmnn ^ M„ 100% (2) Pri tem je srednja vrednost vrtilnega momenta enaka: 1 0+T 1 T Mr = 1 J M (a) da = - J M (a) da • (3) T a T 0 Glede na izvor lahko vrtilni moment SMTM razdelimo na tri komponente [1, 2]: • elektromagnetni vrtilni moment, • samodržni vrtilni moment in • reluktančni vrtilni moment. Elektromagnetni vrtilni moment je poglavitna komponenta vrtilnega momenta motorja, ki nastane zaradi interakcije polja trajnih magnetov in polja, ki ga povzročajo statorski amperni ovoji. Pri trifaznem SMTM elektromagnetni vrtilni moment izrazimo kot: M = -^-ie. ■ i, + eb-ib + ec-Q , (4) ro kjer so ea, eb in ec trenutne vrednosti faznih induciranih napetosti, ia, ib in ic trenutne vrednosti faznih tokov ter ro kotna hitrost. Enačba (4) pove, da bo vrtilni moment motorja konstanten, če bo vsota produktov faznih induciranih napetosti in faznih tokov konstantna. V tem primeru skupno magnetno polje trajnih magnetov in statorskih ampernih ovojev ne vsebuje višjih harmonskih komponent [1]. Samodržni vrtilni moment (ang. cogging torque) je posledica interakcije med poljem trajnih magnetov in statorskimi zobmi. Podrobnejša analiza pokaže, da komponenta samodržnega vrtilnega momenta Mcog nastane zaradi spremembe energije magnetnega polja trajnih magnetov v motorju ob zasuku rotorja. Reluktančni vrtilni moment nastane z interakcijo statorskega magnetnega polja in različnih reluktanc vzdolžne in prečne magnetne osi rotorja. Različni reluktanci sta predvsem posledica rotorske konfiguracije. Tudi ta komponenta povzroča dodatna nezaželena nihanja vrtilnega momenta zaradi višjih harmonskih komponent statorskih ampernih ovojev. 3 Konstrukcijski ukrepi na rotorju za zmanjšanje nihanja vrtilnega momenta V tem poglavju se bomo omejili na rotorske konstrukcijske ukrepe, s katerimi lahko znižamo amplitudo samodržnega vrtilnega momenta. Ukrepi, ki jih uporabljamo, temeljijo na zmanjšanju spremembe magnetne energije v odvisnosti od kota zasuka rotorja a in/ali zmanjšanju magnetnega pretoka v zračni reži motorja. Pri njihovi uporabi se moramo zavedati, da le-ti povečajo zahtevnost izdelave motorja ali pa poslabšajo njegove druge karakteristike. 3.1 Obodna dolžina loka trajnega magneta am Študijo nastanka samodržnega vrtilnega momenta magneta začnemo s pomočjo modela, prikazanega na sliki 2. Ob majhnem pomiku trajnega magneta v desno se pod statorskim zobom št. 1 magnetna energija Wmag zmanjšuje, pod drugimi zobmi (zobje št. 2, 3 in 4) pa ostaja nespremenjena. Nastane vrtilni moment zadnjega roba trajnega magneta Mzad, ki je sorazmeren spremembi Wmag v odvisnosti od kota a. Nastali vrtilni moment je periodične narave, saj nastane vsakič, ko zadnji rob magneta zapušča statorski zob. Tako ga lahko zapišemo v obliki Fourierove vrste, kjer so Mn Fourierovi koeficienti in Nzob število statorskih zob Mzad (a) = Mo + £ Mn cos (n - N^ - a) . (5) n=1 Ob nadaljnjem gibanju v desno se prednji rob trajnega magneta pomakne pod statorski zob št. 4 in pod tem zobom začne magnetna energija naraščati. Zato nastane vrtilni moment prednjega roba Mpred, ki je nasproten vrtilnemu momentu zadnjega roba Mzad Mped (a) =-Mo - Ž Mn cos(n ■ Nzob ■ (a - am)) . (6) n=1 Celoten samodržni vrtilni moment trajnega magneta je vsota prispevkov prednjega in zadnjega roba. M (a) = M . (a) + M . (a) = mag ^ ' zad ^ ' pred ' (7) = Z Mn [cos(n ■ Nob ■ a) - cos(n ■ Nzob ■ (a - a„)) ] M (a) f ^ MJu) MpJo)= -MJa-aJ Slika 2: Model za analizo nastanka samodržnega vrtilnega momenta celotnega magneta. Figure 2. Model of the cogging torque mechanism on the entire magnet. Enačba (7) je izhodišče za odpravo samodržnega vrtilnega momenta trajnega magneta. Ta bo enak nič, če bo obodna dolžina loka trajnega magneta oziroma kot magneta am enak: 2n ■ k (o) a =-= j . ■ k , (o) m N 'stat zob kjer je k celo število in