CN104578491A - 一种梯形转子齿结构正弦化双凸极电机及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种梯形转子齿结构正弦化双凸极电机及其设计方法，所述正弦波化的双凸极电机由定、转子组成，其中定、转子均为凸极的齿槽结构，定转子齿数满足6/4N关系，N=1,2,3……；定子齿槽等宽，并嵌有电枢绕组和励磁绕组（或磁钢），转子为梯形齿结构，并呈单边对称分布。所述设计方法为转子齿的齿宽、槽宽的优化设计，转子齿的窄边等于定子齿宽，宽边为定子齿宽的两倍，构成最优化梯形波转子齿结构，在励磁绕组或磁钢激励下，转子齿旋转过程中在双凸极电机的定子三相电枢绕组中感应出正弦化的反电势波形。

Description

一种梯形转子齿结构正弦化双凸极电机及其设计方法

技术领域

本发明涉及双凸极电机的结构设计及优化，属于电机结构设计领域。

背景技术

近年来，随着稀土永磁材料价格的逐年攀升，永磁同步电机的成本越发成为其成为在各种应用场合受限的重要因素，并且由于永磁电机自身存在的磁场调节困难的问题，弱磁实现转速范围的扩展，需要在直轴施加反向电流以实现弱磁控制，不仅要对永磁电机的磁钢设计加以调整以改变其交、直轴电感值，并且通过直流电流实现弱磁既增加了驱动变换器的容量，又可能会导致永磁体的永久性去磁，在高速运行阶段还将极大的降低电机运行效率，因此永磁同步电机的励磁调节实现其弱磁控制和提高高速运行阶段运行效率的关键。

正是由于永磁电机存在的固有问题，在目前的宽转速运行范围的电机驱动领域，磁阻类型的电机，如开关磁阻电机、双凸极电机等，相比较永磁电机虽然其运行效率相比较低一些，但是其结构简单，成本低、磁场调节方便、高速运行特性好等优势，能够有效解决永磁电机的磁链难以调节的问题，并且在高速运行场合具有更好的运行效率。尤其在目前电动汽车驱动领域，宽转速运行范围对驱动电机提出苛刻的要求，传统永磁电机难以满足其转速范围的需求，磁阻电机的转速范围和成本优势越发明显，因此在电动汽车驱动领域采用无永磁体或少永磁体结构电机成为发展的趋势。

虽然磁阻类电机在转速范围具有突出的优势，但是仍然存在固有的缺陷——转矩脉动大的问题，开关磁阻电机由于为半周出力方式，电机电流为脉冲形状，使得其输出转矩存在明显的转矩脉动和噪声，这也成为其在高性能驱动、伺服领域应用的最大障碍。双凸极电机是在开关磁阻电机的基础上衍生而来，增加励磁回路之后使得电机能够在电感上升、下降区间均能够输出力矩，并且其工作方式类似于无刷直流电机，但是传统结构的双凸极电机的反电势仍然为非理想方波，并且其反电势波形受到电机电枢反应的严重影响，在高速、大电流运行条件下出现严重畸变。双凸极电机采用的方波电流控制方式，由于是在电机绕组电感的峰值区域电流换相，大电感导致电流换相时间变长，在高速阶段再加上反电势的影响，使得双凸极电机的正负半轴电流的非对称性问题更加严重，结合畸变的反电势，双凸极电机的输出转矩脉动也是非常明显，同样约束了双凸极电机驱动应用场合。

因此，在双凸极电机驱动应用场合，为改善其输出转矩脉动，国内外学者在电机结构设计、换相逻辑和电流控制方式方面作了很多工作，能够通过控制方式一定程度上改善电机绕组换相过程中的转矩脉动，或者通过电机转子齿的斜槽设计，通过改变反电势的谐波含量，但是电机固有的转矩脉动仍然达到了电机输出转矩的15～30％，并且该转矩脉动抑制方式增加电机结构及控制的复杂性，然而作为电动机仍然较难以满足驱动系统的需求。因此，2013年英国谢菲尔德大学褚自强教授针对可变磁阻电机(电励磁双凸极电机)分析其转子极数对电机磁路特性的影响，对6定子极电机，分析其转子极数分别为5、6、7、8时，电机磁路特性的变化，并通过励磁绕组的分布设置，消除了传统开关磁阻、双凸极电机的定、转子数N_s±2n的约束关系，并验证了定子6极、转子5极结构双凸极电机不仅能够使得可变磁阻电机的磁链为规则圆，有效消除了N_s±2n结构下电机反电势中的明显的低次谐波，使得电机反电势基本趋于正弦化，并对其采用交流电机的矢量控制方式，可大幅减小其输出转矩脉动，实现了磁阻电机的正弦化驱动。在此基础上，针对5、7转子极结构电机存在的奇数极导致了高振动特性和噪音问题，采用定转子齿数翻倍的方式，即采用12定子极，10或14转子极结构，并通过定转子极数、弧长、绕组分布的优化，可进一步减小可变磁阻电机的反电势畸变和驱动转矩脉动。然而，该可变磁阻电机由于励磁绕组的夸单个齿分布，即定子每槽均嵌入励磁绕组，使得对应12极定子结构中励磁绕组的分布较为复杂，其端部也大幅增加，对应定子槽的槽满率也随之增加；为提高电机反电势的正弦化，还需要对定子、转子结构继续进行优化，并且为防止极数极带来的不对称振动影响，使得转子极数至少为10极，高极数在高速驱动运行过程中对逆变器的开关频率提出了更高的要求，在当前开关器件如IGBT开关频率受限的条件下，高极数限制了该电机在高速运行阶段的控制性能。

发明内容

所要解决的技术问题：

本发明旨在提出一种梯形转子齿结构正弦化双凸极电机及其设计方法，使得双凸极电机的输出反电势呈正弦化，结合交流电机的矢量控制策略，有效降低双凸极电机作为驱动电机的转矩脉动。

技术方案：

为了实现以上功能，本发明提供了一种梯形转子齿结构正弦化双凸极电机，该电机包括定子与转子，所述定子上设有6N个定子齿，其中N为≥1的正整数，齿槽宽度相同，定子槽中设有电枢绕组并嵌有励磁绕组或者磁钢；所述转子上设有4N个转子齿，其中N为≥1的正整数；其特征在于：所述转子齿沿轴向两端的宽度不一致，轴向方向的截面为梯形，并且纵向方向的截面上，转子齿的宽度相同，呈对称分布；当励磁绕组或磁钢产生激励后，转子旋转过程中，在三相电枢绕组中感应出近似正弦波的反电势，构成正弦化双凸极电机。

一种梯形转子齿结构正弦化双凸极电机的设计方法，其特征在于所述方法如下：在设定电机磁路不饱和，励磁磁通恒定时，定子电枢绕组所匝链的励磁磁链基本与定转子重叠面积呈正比，对照定、转子齿在恒定转速下的重叠过程，分别计算转子在不同位置，定、转子齿重叠面积的变化；

设定该电机为6/4结构电机，在90°电周期范围内，分六个区间段计算定、转子齿重叠面积值，设定定子齿宽为x，轴向长度为y，转子齿的上、下边长度分别为x、2x，轴向长度为y，分段计算各个转子位置阶段的定、转子齿的重叠面积，求得每隔15°的定转子齿重叠面积表达式：

对应磁路不饱和条件下，相定子绕组匝链的磁链即为定、转子齿重叠面积值的K倍，对其求微分，即可得到相绕组的空载反电势

通过傅里叶分析其谐波组成，获得THD最低的空载反电势，由此确定最优的正弦化双凸极电机的定子齿槽结构与传统双凸极电机一致，为均匀分布结构，对应6/4结构定子齿、槽弧长均为30°机械角；转子齿的上边弧长为30°机械角与定子齿宽相同，下边弧长为60°机械角，为定子齿宽的两倍；

其他6/4N系列双凸极电机的转子梯形齿的上边和下边长度以此类推得到。

有益效果：

本发明优化设计的正弦波双凸极电机转子梯形齿的上、下边长度为1:2，并且梯形齿的上边与定子齿同宽，以使得转子旋转过程中在定子电枢绕组感应出的空载反电势呈现最佳非正弦梯形波，其反电势梯形波的上边与下边比值为1:3，对应反电势的傅里叶分解后无3次谐波，5次谐波含量最大为4％，7次谐波含量为2.1％，11、13次谐波分别为0.8％和0.6％，反电势的THD可以达到最低值4.7％。实际该梯形转子齿双凸极电机，由于定转子齿重叠过程中的局部饱和现象将会使得反电势梯形波的光滑程度增加，即电机空载反电势的波形的THD进一步下降，实现双凸极电机反电势正弦化，结合交流电机的正弦波驱动控制方式，可有效降低其输出转矩脉动，扩展其在电机驱动领域的广泛应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1本发明提供的梯形转子齿结构正弦化双凸极电机的转子齿三维结构图；

图2定、转子齿槽分布示意图；

图3 0～15°定、转子齿重叠位置示意图；

图4 15°～30°定、转子齿重叠位置示意图；

图5 30°～45°定、转子齿重叠位置示意图；

图6 45°～60°定、转子齿重叠位置示意图；

图7 60°～75°定、转子齿重叠位置示意图；

图8 75°～90°定、转子齿重叠位置示意图；

图9绕组空载反电势示意图。

具体实施方式

本发明提供一种动态电压校正装置，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种梯形转子齿结构正弦化双凸极电机，该电机包括定子与转子，所述定子上设有6N个定子齿，其中N为≥1的正整数，齿槽宽度相同，定子槽中设有电枢绕组并嵌有励磁绕组或者磁钢；所述转子上设有4N个转子齿，其中N为≥1的正整数；其特征在于：所述转子齿沿轴向两端的宽度不一致，轴向方向的截面为梯形，并且纵向方向的截面上，转子齿的宽度相同，呈对称分布；当励磁绕组或磁钢产生激励后，转子旋转过程中，在三相电枢绕组中感应出近似正弦波的反电势，构成正弦化双凸极电机。

由于转子齿呈梯形结构，在转子旋转过程中，定、转子齿的重叠过程中，设定电机磁路不饱和，励磁磁通恒定，区别于传统结构双凸极电机，转速恒定条件下，传统结构双凸极电机的定转子齿的重叠面积基本与转速呈正比，即定子电枢绕组所匝链的励磁磁链呈线性增加；定、转子齿分开过程中，其定子电枢绕组所匝链的励磁磁链线性降低，对应电枢绕组匝链的励磁磁链微分之后为其感应电势，在定转子重叠过程中为正值，定转子齿分开过程中为负值，基本为方波特性。而梯形转子齿使得定转子齿重叠过程中其重叠面积并非线性增加，而是与转子梯形齿的对应尺寸和形状密切相关，其匝链的励磁磁链也随之变化，通过合理设计转子梯形齿的尺寸，可使得双凸极电机的感应电势随着电机转子位置基本呈现正弦化。

具体的，6/4极正弦化双凸极电机的梯形转子齿三维结构如图1所示，定子齿槽结构与传统双凸极电机一致，为均匀分布结构，即定子齿、槽弧长均为30°机械角，转子齿的轴向两端分别为梯形齿的上边和下边，其中上边弧长为30°机械角，下边弧长为60°机械角，定转子齿槽长度如图2定转子齿槽分布示意图所示，图中阴影区为定、转子的齿的位置，非阴影区域为定、转子槽的位置。设定定子齿宽度为x，轴向长度为y，对应转子梯形齿的上边为x，下边为2x，轴向长度为y，分析转子旋转过程中定转子齿的重叠面积，设定图3所示为定、转子齿的初始位置，位置角为0°，分段分析定转子齿的重叠面积：

(1)区域1

转子齿以角速度ω，从初始位置向右旋转15°(机械角)，从0°移动至15°，如图3所示，对应该区域内定转子齿的重叠面积随时间t的变化为：

$S_1=\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}^2{t}^2\frac{y}{x};$

(2)区域2

转子齿以角速度ω，继续向右旋转15°(机械角)，从15°移动至30°，如图4所示，对应该区域内定转子齿的重叠面积随时间t的变化为：

(3)区域3

转子齿以角速度ω，继续向右旋转15°(机械角)，从30°移动至45°，如图5所示，对应该区域内定转子齿的重叠面积随时间t的变化为：

(4)区域4

转子齿以角速度ω，继续向右旋转15°(机械角)，从45°移动至60°，如图6所示，对应该区域内定转子齿的重叠面积随时间t的变化为：

(5)区域5

转子齿以角速度ω，继续向右旋转15°(机械角)，从60°移动至75°，如图7所示，对应该区域内定转子齿的重叠面积随时间t的变化为：

(6)区域6

转子齿以角速度ω，继续向右旋转15°(机械角)，从75°移动至90°，如图8所示，对应该区域内定转子齿的重叠面积随时间t的变化为：

分别对不同区域内定转子齿重叠面积求微分后，乘以反电势系数K即可得到对应相在一个电周期(90°机械角)的空载反电势表达式，其中系数K、x、y、ω均为定值，即空载反电势是随着时间变化的，

根据反电势表达式，可以得到其对应于ωt的变化规律，如图9所示，为最佳非正弦梯形波，经过傅里叶分解之后可得到其各次谐波分别为

3次

5次

7次

9次

11次

13次

15次

17次

19次

0

4.0％

2.1％

0

0.8％

0.6％

0

0.3％

0.3％

对应反电势的THD为4.7％，小于5％，满足交流电机的反电势谐波要求。

综上所述，其他6/4N系列双凸极电机的转子梯形齿的上边和下边长度以此类推得到。

对于梯形转子齿双凸极电机，在转子旋转过程中，定转子齿重叠时电机内部磁路存在局部饱和现象，使得电机绕组反电势波形将在现有的梯形波基础上，进一步光滑，即可以消除反电势波形中存在的一些高次谐波，使得电机绕组反电势正弦度更高。在驱动系统应用中，采用交流电机矢量控制方式，通以正弦交流电，可有效降低其输出转矩脉动，解决传统双凸极电机在驱动应用领域存在的固有的转矩脉动问题，提高双凸极电机驱动系统的性能，可以扩展双凸极电机在驱动领域的应用，为新型少磁或无磁化的低成本电动汽车驱动电机提供了新的选择。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种梯形转子齿结构正弦化双凸极电机，该电机包括定子与转子，所述定子上设有6N个定子齿，其中N为≥1的正整数，齿槽宽度相同，定子槽中设有电枢绕组并嵌有励磁绕组或者磁钢；所述转子上设有4N个转子齿，其中N为≥1的正整数；其特征在于：所述转子齿沿轴向两端的宽度不一致，轴向方向的截面为梯形，并且纵向方向的截面上，转子齿的宽度相同，呈对称分布；当励磁绕组或磁钢产生激励后，转子旋转过程中，在三相电枢绕组中感应出近似正弦波的反电势，构成正弦化双凸极电机。

2.一种梯形转子齿结构正弦化双凸极电机的设计方法，其特征在于所述方法如下：

在设定电机磁路不饱和，励磁磁通恒定时，定子电枢绕组所匝链的励磁磁链基本与定转子重叠面积呈正比，对照定、转子齿在恒定转速下的重叠过程，分别计算转子在不同位置，定、转子齿重叠面积的变化；

设定该电机为6/4结构电机，在90°电周期范围内，分六个区间段计算定、转子齿重叠面积值，设定定子齿宽为x，轴向长度为y，转子齿的上、下边长度分别为x、2x，轴向长度为y，分段计算各个转子位置阶段的定、转子齿的重叠面积，求得每隔15°的定转子齿重叠面积表达式：

$S_1=\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}^2{t}^2\frac{y}{x}$    (0°≤ωt＜15°)

  (15°≤ωt＜30°)

  (30°≤ωt＜45°)

  (45°≤ωt＜60°)

  (60°≤ωt＜75°)

  (75°≤ωt＜90°)；

对应磁路不饱和条件下，相定子绕组匝链的磁链即为定、转子齿重叠面积值的K倍，对其求微分，即可得到相绕组的空载反电势

通过傅里叶分析其谐波组成，获得THD最低的空载反电势，由此确定最优的正弦化双凸极电机的定子齿槽结构与传统双凸极电机一致，为均匀分布结构，对应6/4结构定子齿、槽弧长均为30°机械角；转子齿的上边弧长为30°机械角与定子齿宽相同，下边弧长为60°机械角，为定子齿宽的两倍；

其他6/4N系列双凸极电机的转子梯形齿的上边和下边长度以此类推得到。