CN102545436B - 一种永磁同步直驱电机的磁极结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步直驱电机的磁极结构，所述的磁极以N极和S极交替的形式嵌在转子表面一周，并与定子相对应，定子和转子之间有一层气隙。所述定子包括铁心和绕组，所述转子是空心轴结构或实心轴结构。所述的转子磁极采用不等厚磁极，磁极环绕电机转子表面均匀布置，使得气隙空载磁密波形接近正弦波。本发明磁极采用了电磁场反问题的设计思想，首先以等厚磁极中心为对称轴线，逐渐将磁极两端的厚度减小，得到不等厚磁极的初始方案。利用电磁场软件仿真得到气隙磁密波形，分析其基波和谐波成分，再根据设计要求，调整磁极的局部尺寸，经多次反复迭代，直到优化设计目标为止。采用本发明的磁极结构可使永磁同步直驱电机震动和噪音降低。

Description

一种永磁同步直驱电机的磁极结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步直驱电机的磁极及其设计方法。

背景技术

现有的永磁同步电动机表贴式磁极往往采用等厚的瓦片型磁极结构，主磁极沿电枢表面形成的空载气隙磁密波形接近平顶波，气隙磁密中包括许多谐波成分，特别是3、5、7次谐波，将导致产生谐波转矩。另外由于电机定子开槽就要引入的齿槽转矩是不可避免的，所以目前永磁直驱电机普遍存在一定的齿槽和谐波转矩。较大的转矩脉动会增加系统的控制难度和稳定性，在低速时更加明显。传统方式是采用定子斜槽或转子斜极来消除齿槽转矩，但是定子斜槽会使得槽面积减小，下线存在困难，同时电机要增加长度或匝数来弥补由于斜槽造成的反电势下降。而转子斜极则存在更大的加工难度，废品率和成本过高，多数的时候往往采用轴向分段永磁体，使每段磁体沿圆周方向错开一定的机械角度来近似斜极的效果，但是这种结构更适合较长的转子。专利200810066916.1及200920035744.1分别公开了一种伺服电机及其转子结构和一种多段错位磁瓦转子结构，两者均采用上述的转子磁极结构来削弱齿槽转矩。但是对于低速直驱电机由于定、转子很短，定转子稍微有些斜度，对其电磁参数影响较大，严重时会使电机的输出能力降低。

图1a是现有技术的永磁同步电机磁极结构示意图。如图1a所示，传统永磁同步电动机表面磁极往往采用等厚瓦片型磁极结构。这种主磁极沿电枢表面形成的空载气隙磁密波形接近平顶波，气隙磁密包括许多谐波成分，特别是3、5、7次谐波，将导致产生谐波转矩，影响控制精度。

因此，如何既能降低永磁直驱电机的转矩脉动，又可以保证电机的结构和加工工艺简单，成为本领域的技术人员迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术永磁同步直驱电机转矩脉动较大的缺点，提供一种永磁同步直驱电机的磁极结构，本发明磁极结构使得电机的气隙磁密波形接近正弦波，电机转矩脉动较小。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

所述的永磁同步直驱电机采用内转子，外定子结构，定子和转子之间具有一个气隙。

所述的转子磁极采用不等厚磁极，磁极的外表面由斜率不同的多个斜面构成，磁极的内表面半径和转子磁轭的半径相同，磁极的两个侧面相平行，并且采用平行充磁方式。

所述的转子磁极以N极和S极交替的形式环绕永磁同步直驱电机的转子表面均匀布置。

所述的转子磁极采用钕铁硼材料制作。

所述的转子采用一体式的空心轴结构或实心轴结构，采用具有导磁特性的45号碳素钢制作。

所述的定子包括铁心和绕组，定子为无取向硅钢片材料。

本发明磁极的设计方法采用电磁场反问题的设计思想，以等厚磁极为基础，首先以等厚磁极中心为对称轴线，逐渐将等厚磁极两端的厚度减小，得到不等厚磁极的初始方案，利用电磁场软件仿真得到气隙磁密波形，分析其基波和谐波成分，再根据设计要求，调整磁极的局部尺寸，经多次反复迭代，直到优化设计目标为止。

本发明可以广泛应用于低速永磁直驱电机中，可以有效的改善气隙磁密波形，减小谐波转矩，降低永磁同步直驱电机震动和噪音，使电机运行平稳，工作寿命长。

附图说明

图1a是现有技术的永磁同步电机磁极结构示意图；

图1b是本发明不等厚磁极结构示意图；

图1c是本发明不等厚磁极的充磁方向示意图；

图2是不等厚磁极设计方法示意图；

图3是5.5kW永磁同步直驱电机的两种结构示意图，其中图3a为等厚磁极结构，图3b为不等厚磁极结构；

图4是永磁同步直驱电机空载气隙磁密波形，其中图4a为等厚磁极结构空载气隙磁密波形，图4b为不等厚磁极结构空载气隙磁密波形；

图5是永磁同步直驱电机空载气隙磁密谐波含量，其中图5a为等厚磁极结构空载气隙磁密谐波含量，图5b为不等厚磁极结构空载气隙磁密谐波含量；

图中，1为定子铁心，2为定子槽，3为转子轭，4为转子轴，5为等厚磁极，6为不等厚磁极。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的磁极结构如图1b所示，磁极的外表面由斜率不同的多个斜面构成，磁极的内表面半径和转子磁轭的半径相同，磁极两个侧面相平行，并且采用平行充磁方式，如图1c所示。因为通常情况下无需设计出完全正弦的磁密波形，只需按照谐波含量的要求设计近似的正弦波形。在这种情况下，不等厚磁极的设计按照以下方法进行。

本发明不等厚磁极的设计方法如图2所示，首先在等厚磁极两个高度边的2/3处分别取点a1和点a2，将点a1和点a2连接起来构成一段弧L1。然后以等厚磁极中心轴y轴为中心，将等厚磁极的极弧平分为两半，并将其中半个极弧平均分为4段，在等厚磁极的极弧和L1之间取3点a3、a4和a5，即：在等厚磁极的极弧和L1之间的1/2处取点a3，在等厚磁极的极弧和L1之间的3/4处取点a4，在等厚磁极的极弧和等分线L2的交点处取点a5。再依次连线a1、a3、a4和a5，构成不等厚磁极的半个极弧。另外半个极弧同理以相同的方法设计，将左右对称的两个半个极弧连线，便得到了不等厚磁极的极弧。不等厚磁极的极弧确定后便可得到一个不等厚磁极。将此不等厚磁极作为最初的设计方案，利用电磁场软件仿真得到此不等厚磁极的气隙磁密波形，分析所述的气隙磁密波形的基波和谐波成分。如果基波幅值比等厚磁极的基波幅值小，进行以下调整后再重新进行仿真分析：

1)增加磁极的宽度，磁极的宽度须小于电机的极距；

2)将点a1和点a2的位置分别向上方调整至点a1′和点a2′，保证点a1′和点a2′的高度相同；

3)增加磁极的厚度。

如果所述的不等厚磁极气隙磁密波形的基波幅值比等厚磁极的基波幅值大，进行以下调整后再重新进行仿真分析：

1)减小磁极的宽度；

2)将点a1和点a2的位置分别向下方调整至点a1″和点a2″，保证点a1″和点a2″的高度相同；

3)减小磁极的厚度。

如果所述的不等厚磁极气隙磁密波形的谐波比等厚磁极的大，将不等厚磁极的极弧分成更多段，进行仿真分析；经多次反复迭代，直到优化设计目标为止。

图3是5.5kW永磁同步直驱电机的两种结构示意图。如图3所示，两台5.5kW永磁同步直驱电机的定子结构完全相同，转子分别采用等厚磁极结构和不等厚磁极结构。

图4是永磁同步直驱电机空载气隙磁密波形。对5.5kW永磁同步直驱电机的两种结构进行电磁场计算，其空载气隙磁密波形如图4a和图4b所示。

图5是永磁同步直驱电机空载气隙磁密谐波含量。对图4进行频谱分析，两种磁极结构的电机空载气隙磁密谐波含量如图5a和图5b所示。

由图4和5可见，经磁场反问题计算，所得优化不等厚磁极设计能够在磁密基波幅值基本不变的情况下，使气隙磁密波形中谐波含量不同程度的减小。

本发明使得电机气隙磁密谐波含量减小，相应的会减小电机的转矩脉动。在某种程度上可以使永磁同步直驱电机的定子无需斜槽，简化了电机的装配工艺，提高了电机的效率。

Claims (6)

1.一种永磁同步直驱电机的磁极结构，所述的永磁同步直驱电机采用内转子、外定子结构；转子磁极以N极和S极交替的形式嵌在转子表面一周，并与定子相对应；定子和转子之间具有一层气隙，其特征在于：所述的转子磁极采用不等厚磁极，磁极的外表面由斜率不同的多个斜面构成，磁极的内表面半径和转子磁轭的半径相同，磁极的两个侧面相平行，并且采用平行充磁方式；转子磁极环绕所述的转子表面均匀布置，使得气隙空载磁密波形接近正弦波；所述磁极结构在设计过程中，首先以等厚磁极中心为对称轴线，逐渐将等厚磁极两端的厚度减小，得到初始的不等厚磁极，然后利用电磁场软件仿真得到不等厚磁极的气隙磁密波形；分析所述不等厚磁极的气隙磁场波形的基波和谐波成分，再根据气隙磁场谐波含量的大小，调整磁极的局部尺寸；经多次反复迭代，直到气隙磁密波形为近似正弦波形为止。

2.根据权利要求1所述的永磁同步直驱电机的磁极结构，其特征在于：所述的转子磁极采用钕铁硼材料制作。

3.根据权利要求1所述的永磁同步直驱电机的磁极结构，其特征在于：所述的转子采用一体式的空心轴结构或实心轴结构，转子的制作材料为45号碳素钢。

4.根据权利要求1所述的永磁同步直驱电机的磁极结构，其特征在于：所述的定子包括铁心和绕组，定子为无取向硅钢片材料。

5.一种如权利要求1所述的永磁同步直驱电机的磁极结构的设计方法，其特征在于：首先以等厚磁极中心为对称轴线，逐渐将等厚磁极两端的厚度减小，以得到初始的不等厚磁极，然后利用电磁场软件仿真得到不等厚磁极的气隙磁密波形；分析所述不等厚磁极的气隙磁密波形的基波和谐波成分，再根据气隙磁场谐波含量的大小，调整磁极的局部尺寸；经多次反复迭代，直到气隙磁密波形为近似正弦波形为止。

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：所述的转子磁极的设计步骤如下：

1）在等厚磁极两个高度边的2/3处分别取点a1和点a2，将点a1和点a2连线构成一段弧L1；

2）以中心轴Y轴为中心，将等厚磁极的极弧平分为两半，并将其中半个极弧平均分为4段，在等厚磁极的极弧和弧L1之间取3点：a3、a4和a5，即：在等厚磁极的极弧和L1之间的1/2处取点a3，在等厚磁极的极弧和L1之间的3/4处取点a4，在等厚磁极的极弧和等分线L2的交点处取点a5；依次连线a1、a3、a4和a5，构成不等厚磁极的半个极弧；

3）另外半个所述的极弧可按照步骤2）以相同的方法设计；将左右对称的两个半个极弧连线，便得到了不等厚磁极的极弧；不等厚磁极的极弧确定后便得到一个不等厚磁极；

4）利用电磁场软件对步骤3）得到的初始的不等厚磁极进行仿真，得到所述不等厚磁极的气隙磁密波形，分析所述气隙磁密波形的基波和谐波成分；

5）如果步骤4）所得的气隙磁密波形的基波幅值比等厚磁极的基波幅值小，进行以下调整后再重新进行仿真分析：

a）增加磁极的宽度，磁极的宽度需小于电机的极距；

b）将点a1和点a2的位置分别向上方调至点a1′和点a2′，使点a1′和点a2′的高度相同；

c）增加磁极的厚度；

如果所述不等厚磁极气隙磁密波形的基波幅值比等厚磁极的基波幅值大，进行以下调整后再重新进行仿真分析：

a）减小磁极的宽度；

b）将点a1和点a2的位置分别向下方调至点a1″和点a2″，使点a1″和点a2″的高度相同；

c）减小磁极的厚度；

如果所述不等厚磁极的气隙磁密波形的谐波比等厚磁极的大，将不等厚磁极的极弧分成更多段，进行仿真分析；经多次反复迭代，直到气隙磁密波形为近似正弦波形为止。

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