CN102820715B - 一种减小磁通切换永磁电机定位力矩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种减小磁通切换永磁电机定位力矩的方法，包括以下步骤：在磁通切换永磁电机的定子铁芯之间置有铁芯桥，将永磁体置于相邻定子铁芯与所述铁芯桥构成的凹槽中，并将铁心桥的初始厚度设定为电机气隙长度；确定对铁芯桥厚度优化过程中涉及磁通切换永磁电机的性能参数；优化并确定铁芯桥的厚度。该方法简单有效，工程上容易执行，可通过有限元法对铁芯桥的厚度进行优化，保证定位力矩有效减小的同时，电机的其他性能受到很小的影响。

Description

一种减小磁通切换永磁电机定位力矩的方法

技术领域

本发明属于永磁电机技术领域，具体涉及一种减小磁通切换永磁电机定位力矩的方法。

背景技术

与电励磁电机相比，永磁电机具有体积小、质量轻、效率高等显著优点；由于其不需要励磁绕组和直流励磁电源，取消了容易出问题的集电环和电刷装置，结构简单，运行可靠，因此在风力发电、小型水力发电，以及小型内燃机发电等场合正在得到逐步推广应用，尤其是采用永磁发电机的直驱型风力发电在当今已变得颇具吸引力。此外，我国稀土资源丰富，稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平也都达到了国际先进水平，因此，充分发挥我国的资源优势，大力发展和推广以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机将具有重要的工程价值。

传统永磁电机大多采用表面贴装式、插入式或嵌入式等工艺将永磁体固定于转子，这样，在电机运行过程中，就会产生散热困难、过高温升导致永磁体不可逆退磁，从而限制电机出力等问题。针对这一问题，早在上个世纪50年代，就有学者对定子永磁电机开展了研究。与转子永磁电机不同，定子永磁电机将永磁体和电枢绕组都置于定子，简单的转子结构不但提高了电机运行的可靠性，而且转子旋转时，也可以起到风扇的作用，使电机散热性能得到增强。因此，1997年磁通切换永磁电机一经法国学者E.Hoang提出，便引起了人们的极大关注。

然而，将永磁体置于定子，电机采用双凸极结构，由于聚磁效应，磁通切换永磁电机气隙磁密增加的同时，定位力矩问题也变得愈发严重。所谓定位力矩，是永磁电机中永磁体与有槽铁芯相互作用的结果，将会导致电机运行时产生振动和噪声。该力矩始终存在于永磁电机中，与电机是否通电无关，过大的峰-峰值不但会给电机起动带来困难，而且也会导致电机运行过程中存在较大的转矩脉动，从而限制其在各领域的应用，因此，采用有效的方法减小磁通切换永磁电机的定位力矩就具有重要的意义和实用价值。

减小永磁电机定位力矩的传统方法，包括转子斜极、定子斜槽、分数槽结构、极弧系数组合优化、永磁体不对称放置和磁极形状优化等，这些方法都会对电机的性能产生不同程度的影响，而且还会增加电机的制造成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种减小磁通切换永磁电机定位力矩的方法，该方法简单有效，工程上容易执行，可通过有限元法对铁芯桥的厚度进行优化，保证定位力矩有效减小的同时，电机的空载感应电势和电机出力等性能受到很小的影响。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种减小磁通切换永磁电机定位力矩的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：在磁通切换永磁电机的定子铁芯之间置有铁芯桥，将永磁体置于相邻定子铁芯与所述铁芯桥构成的凹槽中，并将铁心桥的初始厚度设定为电机气隙长度；

步骤2：确定对铁芯桥厚度优化过程中涉及磁通切换永磁电机的性能参数；

步骤3：优化并确定铁芯桥的厚度。

所述步骤1中，所述铁芯桥与所述定子铁芯合为一体共同冲片叠压后一次成型或与定子铁芯分开冲片各自叠压后再成型。

所述步骤2中，对于磁通切换永磁发电机，其性能参数包括感应电势峰值和总谐波畸变率THD。

所述步骤2中，对于磁通切换永磁电动机，其性能参数包括电磁转矩的峰-峰值、电感、反电势的幅值和总谐波畸变率THD。

所述磁通切换永磁电机包括径向磁场磁通切换永磁电机、轴向磁场磁通切换永磁电机和横向磁场磁通切换永磁电机。

所述径向磁场磁通切换永磁电机包括外转子径向磁场磁通切换永磁电机和外转子径向磁场磁通切换永磁电机；所述轴向磁场磁通切换永磁电机包括单定子单转子轴向磁场磁通切换永磁电机、中间定子轴向磁场磁通切换永磁电机、中间转子轴向磁场磁通切换永磁电机和多定子多转子轴向磁场磁通切换永磁电机。

所述径向磁场磁通切换永磁电机、轴向磁场磁通切换永磁电机和横向磁场磁通切换永磁电机的励磁方式均包括纯永磁励磁和混合励磁。

所述步骤3中，根据所确定的磁通切换永磁电机性能参数且采用有限元法对所述铁芯桥的厚度进行优化，从而确定铁芯桥的厚度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.磁通切换永磁电机的电枢绕组与永磁体都置于定子，转子仅为导磁铁芯，结构坚固简单，且转子的风扇作用有利于改善该电机的散热条件，该类电机电枢反应磁通和永磁磁通在磁路上构成并联关系，保证了永磁励磁具有较强的抗去磁能力；

2.铁芯桥放置在定子铁芯之间，虽然增加了电机导磁材料的成本，但却减少了永磁体的用量，所以并没有增加电机的材料成本，相反地，电机的材料成本还有所下降；

3.铁芯桥将定子铁芯连接在一起，从而可以将定子完整地冲片叠压，一次成型，而不需要将定子铁芯单独冲片，分散叠压后成形，简化了该电机的制作工艺，也使定子的坚固程度得到加强；

4.本发明在工程上容易实现，并可通过有限元法对铁芯桥厚度的优化，保证定位力矩有效减小的同时，电机的空载感应电势和电机出力等性能受到很小的影响；

5.磁通切换永磁电机具有功率密度大、冷却方便、效率高和适合高速运行等显著特点；采用本发明技术改造后的磁通切换永磁电机既能减小定位力矩，又能保留这些特点，将其用于伺服系统，其在运行时，尤其是低速运行时的转矩脉动问题可以得到有效解决；若将其用于风力发电系统，则可以有效减小起动风速，拓宽输出功率的风速范围。

附图说明

图1是实施例中定子铁芯之间放置铁芯桥的示意图；

图2是实施例中铁芯桥厚度对定位力矩的影响示意图；

图3是实施例中铁芯桥厚度对气隙磁密的影响示意图；

图4是实施例中铁芯桥厚度对感应电势的影响示意图；

其中，1.定子铁芯，2.铁芯桥，3.永磁体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，在磁通切换永磁电机的定子铁芯1之间置有铁芯桥2，将永磁体3置于相邻定子铁芯1与所述铁芯桥2构成的凹槽中，并采用有限元法对铁芯桥2的厚度进行优化。

实施例1

本发明用于轴向磁场磁通切换永磁电机。

该电机为三相12/10极，由两个相同结构的外定子和一个转子组成。每个定子由12个“U”形导磁铁芯、12块永磁体和12个线圈构成；每个线圈绕在两个相邻“U”形导磁铁芯的齿上，中间嵌入永磁体，永磁体沿切向交替充磁。两侧定子上正对的永磁体充磁方向相反。定子绕组采用集中绕组。转子共有10个齿，均匀设置在转子非导磁圆环的外圆周上。

根据具体实施方式中的说明，在三相12/10极磁通切换永磁电机相邻定子铁芯1之间加上铁芯桥2，并把铁芯桥2的厚度设定为气隙厚度1mm。

由于上述三相12/10极磁通切换永磁电机为一永磁同步发电机，对于其性能，最为关心的是感应电势的幅值和总谐波畸变率THD，所以在对该电机铁芯桥的厚度进行优化时，综合考虑了定位力矩、感应电势幅值和THD；同时由于电机的其他性能多与气隙磁密有密切关系，所以优化过程中，也对不同铁芯桥厚度下的气隙磁密进行了比较。

依次设定铁芯桥的厚度为0.5mm、1mm和1.5mm，采用有限元法，分别计算这三种情况及无铁芯桥情况下的定位力矩、气隙磁密和感应电势，所得结果分别为如图2、图3和图4所示。

从图2可以看出，定位力矩随铁心桥的厚度增加而减小，但周期不变，均为6°；且铁芯桥厚度为0.5mm时，定位力矩相比没有加铁芯桥时变化不大，当铁芯桥厚度为1mm和1.5mm时，定位力矩峰－峰值下降明显，分别从3.9248Nm下降到2.1549Nm和1.9315Nm，降幅分别为45.10%和50.79%；从图3可以看出，气隙磁密的变化不大，因此可以说明合适的铁芯桥厚度，对电机的气隙磁密影响不大，进而可以判定铁芯桥厚度对电机出力等性能影响很小；从图4可以看出，感应电势的幅值随铁芯桥厚度的增加而减小，减小幅度分别为2.0%、6.01%和12.42%。对不同铁芯桥厚度下的感应电势进行傅里叶分析，结果如表1所示：

表1

从表1可以看出，随着铁芯桥厚度的增加，感应电势的谐波分析结果基本相同，即铁芯桥对轴向磁场磁通切换永磁电机感应电势THD的影响很小，基本可以忽略不计。

综合上述分析结果可得，对于该轴向磁场磁通切换永磁电机，铁芯桥厚度为1mm是比较适合的，在此情况下，其定位力矩可得到有效削弱，而电机的其他性能基本保持。

本发明实施以轴向磁场磁通切换永磁电机为例，同样也适用于径向磁场磁通切换永磁电机和横向磁场磁通切换永磁电机。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种减小磁通切换永磁电机定位力矩的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：在磁通切换永磁电机的定子铁芯之间置有铁芯桥，将永磁体置于相邻定子铁芯与所述铁芯桥构成的凹槽中，并将铁心桥的初始厚度设定为电机气隙长度；

步骤2：确定对铁芯桥厚度优化过程中涉及磁通切换永磁电机的性能参数；

步骤3：优化并确定铁芯桥的厚度；

所述步骤1中，所述铁芯桥与所述定子铁芯合为一体共同冲片叠压后一次成型或与定子铁芯分开冲片各自叠压后再成型；

所述步骤2中，对于磁通切换永磁电动机，其性能参数包括电磁转矩的峰‐峰值、电感、反电势的幅值和总谐波畸变率；

所述磁通切换永磁电机为径向磁场磁通切换永磁电机、轴向磁场磁通切换永磁电机或横向磁场磁通切换永磁电机；

所述径向磁场磁通切换永磁电机包括外转子径向磁场磁通切换永磁电机；所述轴向磁场磁通切换永磁电机为单定子单转子轴向磁场磁通切换永磁电机、中间定子轴向磁场磁通切换永磁电机、中间转子轴向磁场磁通切换永磁电机或多定子多转子轴向磁场磁通切换永磁电机；

所述径向磁场磁通切换永磁电机、轴向磁场磁通切换永磁电机和横向磁场磁通切换永磁电机的励磁方式均为纯永磁励磁或混合励磁；

所述步骤3中，根据所确定的磁通切换永磁电机性能参数且采用有限元法对所述铁芯桥的厚度进行优化，从而确定铁芯桥的厚度。