CN102064618A - 一种减小齿槽效应的永磁电机设计方法以及永磁电机 - Google Patents

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陈学东
李健
张玲莉
曾理湛
陈霈
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Abstract

本发明公开了一种减小齿槽效应的永磁电机设计方法以及永磁电机，永磁电机中每个磁极至少包括两块磁极方向相同的永磁体，利用有限元计算方法得到永磁电机齿槽效应最小时所对应的圆弧顶面或倒角处理的永磁体参数，所述的永磁体参数主要有：每个磁极中磁极同向布置的永磁体的块数n，且n≥2；每块永磁体的宽度；相邻的两块永磁体之间的距离。本发明永磁电机可以降低单齿受到的齿槽转矩/齿槽力峰值、减少复杂的谐波成分，从而可以有效减小表面式永磁电机的齿槽转矩/齿槽力。

Description

一种减小齿槽效应的永磁电机设计方法以及永磁电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种减小永磁电机齿槽效应的方法以及永磁电机。
背景技术
永磁电机由于其紧凑的结构、高转矩密度、高效率、无励磁发热等而在工业上得到了越来越广泛的应用。
永磁电机中永磁体磁极对按N、S极交替排列，其中永磁直线电机参见图1，永磁旋转电机参见图2。参见图7，永磁电机单个齿在靠近永磁体两端部时，所受到的齿槽转矩/齿槽力幅值最大，当齿的中心线与永磁体重合时，所受到的齿槽转矩/齿槽力为零，现有技术中由于单块永磁体周向宽带固定，单个齿所受到的齿槽转矩/齿槽力含有复杂的谐波成分，因此所有齿的齿槽转矩/齿槽力叠加后的合成齿槽转矩/齿槽力因谐波的影响难以相互抵消，存在较大的峰值，影响永磁电机的性能。
永磁电机的设计必须考虑机械系统振动等因素的影响，由于电枢开槽产生的齿槽效应，永磁体与齿槽存在随动子位置变化的吸引力，由此产生的永磁电机齿槽转矩/齿槽力是影响永磁电机性能的关键因素，在低速时的影响尤为显著。
斜槽或斜极结构是一种被广泛采用的减小齿槽方法，通过将定子叠片或动子磁体倾斜一定角度，理想情况下，齿槽转矩/齿槽力会在倾斜定子槽间距整数倍时消失，该方案的缺点在于会使永磁电机的转矩常数/推力常数下降。另外，使用辅助齿槽来增加齿槽频率，可以有效地减小齿槽转矩/齿槽力峰值；磁极形状、电枢齿的形状、极弧系数的合理选择，也可以有效地减小齿槽转矩/齿槽力峰值；不对称磁极布置、极数和槽数配合、不同槽口宽度组合及不等极弧系数组合等方法均可以一定程度削弱齿槽转矩/齿槽力峰值。
发明内容
本发明对永磁电机的永磁体的结构方式进行改进，从而减小永磁电机的齿槽转矩/齿槽力，即减小了齿槽效应。
一种减小齿槽效应的永磁电机，包括用于产生磁场的永磁体，所述的磁场由交替布置的磁极对构成，其中每个磁极至少包括两块磁极方向相同的永磁体。
作为优化选择，所述的永磁体采用曲面永磁体或进行倒角处理的永磁体。
例如一对磁极中，每个磁极均有两块小块永磁体，则这四块永磁体的磁极排列为N/N/S/S。
在旋转电机中，所述的永磁体设置在转子的外圆周面或定子的内园周面，每个磁极中的多块永磁体绕圆周向依次布置。
如果是直线电机，则永磁体设置在动子或定子上，每个磁极中的多块永磁体沿动子和定子之间相对运动的方向依次布置。
为了得到本发明减小齿槽效应的永磁电机，本发明还提供了一种所述的减小齿槽效应的永磁电机设计方法，包括如下步骤：
通过调整永磁体结构参数，利用有限元计算方法反复计算得到永磁电机齿槽效应最小时所对应的永磁电机的永磁体结构参数，
所述的永磁电机参数主要有：
n每个磁极中磁极同向沿电机运动方向布置的永磁体的块数，且n≥2；永磁电机中包括用于产生磁场的永磁体，所述的磁场由交替布置的磁极对构成，其中每个磁极至少包括两块磁极方向相同的永磁体；
w1每块永磁体的宽度；
w2相邻的两块永磁体之间的距离。
得到永磁体结构参数后，其余过程可利用现有技术按要求制成整机。
本发明主要是确定了永磁体的尺寸和布置方式，作为优化选择，所述永磁电机设计时，在旋转电机中，所述的永磁体设置在转子的外圆周面或定子的内园周面，每个磁极中的多块永磁体绕圆周向依次布置。
如果是直线电机，则永磁体设置在动子或定子上，每个磁极中的多块永磁体沿动子和定子之间相对运动的方向依次布置。
作为优化选择，所述的永磁体可采用具有圆弧形顶面的永磁体，所述的永磁电机参数还包括：
γ圆弧形顶面的弧边所对应的圆心角；
R圆弧形顶面的弧边所对应的曲率半径；
dh圆弧形顶面的弧边的高度。
h永磁体的高度。
作为优化选择，所述的永磁体可采用倒角处理的永磁体，所述的永磁电机参数还包括：
α倒角的倾角；
dh倒角的高度。
h永磁体的高度。
本发明永磁电机，具有以下特点：
通过调整永磁体结构参数，利用有限元计算方法反复计算得到永磁电机齿槽效应最小时所对应的永磁电机的永磁体结构参数，
所述的永磁电机参数为：
n每个磁极中磁极同向布置的永磁体的块数，且n≥2；永磁电机中包括用于产生磁场的永磁体，所述的磁场由交替布置的磁极对构成，其中每个磁极至少包括两块磁极方向相同的永磁体；
w1每块永磁体的宽度；
w2相邻的两块永磁体之间的距离；
其中主要是确定了永磁体的尺寸和布置方式。
作为优化选择，所述永磁电机，如果是旋转电机中，所述的永磁体设置在转子的外圆周面或定子的内园周面；如果是直线电机，则永磁体设置在动子或定子上。
作为优化选择，所述的永磁体可采用圆弧形顶面永磁体，所述的永磁电机参数还包括：
γ圆弧形顶面的弧边所对应的圆心角；
R圆弧形顶面的弧边所对应的曲率半径；
dh圆弧形顶面的弧边的高度。
h永磁体的高度。
作为优化，所述的永磁体可采用倒角处理的永磁体，所述的永磁电机参数还包括：
α倒角的倾角；
dh倒角的高度。
h永磁体的高度。
而永磁电机的其他参数均可以利用现有技术或根据实际要求来确定。
在本发明中采取将单块表面式安装的永磁体沿电机运动方向分为若干块相同极性小块永磁体，小块永磁体采用圆弧顶面的永磁体或进行倒角处理的永磁体，小块永磁体的形状、尺寸及相互的间距可以根据电磁场有限元计算等数值计算方法优化计算确定，以获得最小的齿槽转矩/齿槽力。
本发明永磁电机可以降低单齿受到的齿槽转矩/齿槽力峰值、减少复杂的谐波成分，从而可以有效减小表面式永磁电机的齿槽转矩/齿槽力。本发明永磁体结构方式适用于各种表面式永磁旋转电机、永磁直线电机，尤其适用于无中间机械传动装置的低速大扭矩/推力永磁电机。
附图说明
图1是现有技术永磁体排列和结构示意图；
图2是现有技术另一种永磁体排列和结构示意图；
图3是本发明永磁体排列和结构示意图；
图4是图3中永磁体倒角处理后的排列和结构示意图；
图5是本发明另一种永磁体排列和结构示意图；
图6是图5中永磁体倒角处理后的排列和结构示意图；
图7是现有技术中单块永磁体下单齿所受到的齿槽转矩/齿槽力-动子位置曲线图；
图8(a)是采用圆弧顶面小块永磁体时的优化参数图；
图8(b)是采用倒角处理的小块永磁体时的优化参数图；
图9是本发明分块永磁体下单齿所受到的齿槽转矩/齿槽力-动子位置曲线图；
图10是本发明分块永磁体下电机所受到的合成齿槽转矩/齿槽力-动子位置曲线图。
具体实施方式
参见图3～6，本发明选择适当的曲面永磁体，或适当倒角处理的永磁体，将每个磁极的单块永磁体沿旋转电机的周向或直线电机的移动方向分成几个永磁体小块，小块永磁体按照一定的间距布置在定子或动子表面，可以降低单齿齿槽转矩/齿槽力峰值、减少复杂的谐波成分，可以有效减小表面式永磁电机的齿槽转矩/齿槽力并降低成本。
利用电磁场的解析或数值计算方法，以永磁电机所受齿槽转矩/齿槽力最小为目标，将每个磁极的单块永磁体沿旋转电机的周向或直线电机的移动方向优化分成适当形状、大小、间隔的几块小块永磁体，分割后的永磁体块形状为曲面永磁体或倒角处理的永磁体。
下面以直线电机为例来进行说明，永磁体排列在动子上，即朝向定子的一面。对比图7和图9可以看出，现有技术中单块永磁体下单齿受到的齿槽转矩/齿槽力含有复杂的谐波成分，因此所有齿的齿槽转矩/齿槽力叠加后的合成齿槽转矩/齿槽力因谐波的影响难以相互抵消，存在较大的峰值。
参见图8(a)，图中：
γ为永磁体具有的圆弧形顶面所对应的圆心角；
R为永磁体具有的圆弧形顶面所对应的曲率半径；
h为永磁体具有的圆弧形顶面的高度；
w1为永磁体宽度；
w2为相邻的两块永磁体之间的距离。
以采用圆弧面永磁体为例，通过有限元数值计算等方法优化选择适合的结构参数
图9为利用图8(a)中的永磁体结构制成的直线永磁电机，其中永磁体排列在动子上，图9中纵坐标顶部的θ值为动子位置。本发明旋转永磁电机可以降低单齿齿槽转矩/齿槽力峰值、减少复杂的谐波成分，可以有效减小表面式永磁电机的齿槽转矩/齿槽力并降低成本。单齿受到的齿槽转矩/齿槽力可以获得近似单一频率的谐波成分。参见图10，所有齿的齿槽转矩/齿槽力叠加后可以近似抵消。

Claims (9)

1.一种减小齿槽效应的永磁电机，包括用于产生磁场的永磁体，所述的磁场由交替布置的磁极对构成，其中每个磁极至少包括两块磁极方向相同的永磁体。
2.如权利要求1所述的减小齿槽效应的永磁电机，其特征在于，所述的永磁体采用圆弧顶面永磁体或进行倒角处理的永磁体。
3.如权利要求2所述的减小齿槽效应的永磁电机，其特征在于，所述的永磁电机为旋转电机，所述的永磁体设置在转子的外圆周面或定子的内园周面，每个磁极中的多块永磁体绕圆周向依次布置。
4.如权利要求2所述的减小齿槽效应的永磁电机，其特征在于，所述的永磁电机为直线电机，所述的永磁体设置在动子或定子上，每个磁极中的多块永磁体沿动子和定子之间相对运动的方向依次布置。
5.一种减小齿槽效应的永磁电机设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过调整永磁体结构参数，利用有限元计算方法反复计算得到永磁电机齿槽效应最小时所对应的永磁电机的永磁体结构参数，
所述的永磁电机的永磁体结构参数主要有：
n每个磁极中磁极同向布置的永磁体的块数，且n≥2；
w1每块永磁体的宽度；
w2相邻的两块永磁体之间的距离；
6.如权利要求5所述的减小齿槽效应的永磁电机设计方法，其特征在于，所述的永磁电机为旋转电机，并将永磁体设置在转子的外圆周面或定子的内园周面。
7.如权利要求5所述的减小齿槽效应的永磁电机设计方法，其特征在于，所述的永磁电机为直线电机，并将永磁体设置在动子或定子上。
8.如权利要求5、6或7所述的减小齿槽效应的永磁电机设计方法，其特征在于，所述的永磁体具有圆弧形顶面，所述的永磁电机参数还包括：
γ圆弧形顶面的弧边所对应的圆心角；
R圆弧形顶面的弧边所对应的曲率半径；
dh圆弧形顶面的弧边的高度；
h永磁体的高度。
9.如权利要求5、6或7所述的减小齿槽效应的永磁电机设计方法，其特征在于，所述的永磁体为倒角处理的永磁体，所述的永磁电机参数还包括：
α倒角的倾角；
dh倒角的高度；
h永磁体的高度。
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