CN105305734B - 永磁容错电机的谐波注削法 - Google Patents

永磁容错电机的谐波注削法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了永磁容错电机的谐波注削法，具体包括：正弦谐波注削、正弦加三次谐波注削、反余弦谐波注削及反余弦加三次谐波的注削，单独施加于定子或转子，又或者通过方法间的组合同时施加于定子和转子进行谐波注削，提升电机的性能。这些方法既能用于转子或定子的铁芯部分，也可以应用在转子或定子的永磁体部分。永磁容错电机运用谐波注削的方法后，能够有效的提升气隙磁密和反电势波形的正弦度，减小各类次谐波的含量，达到减小整体转矩脉动的目的。同时，能够增加电机运行的稳定性，减小噪声及震动。

Description

永磁容错电机的谐波注削法
技术领域
本发明涉及到永磁容错电机，特别是永磁容错电机的谐波注削法，属于新型电机制造的技术领域。
背景技术
现如今永磁电机已经得到了广泛的应用，从汽车到航空航天的众多领域，永磁电机都扮演着十分重要的角色。这主要得益于永磁电机的几个显著特点，包括高转矩密度、高效率以及重量体积小等。永磁电机采用了高磁能积的磁性材料取代了传统的励磁绕组，不仅消除了励磁绕组带来的负面影响，而且简化了电机的机械结构，使电机运行可靠性提高，机械损耗也相应的减小。
虽然永磁电机拥有一系列的优点，但对于要求苛刻的高性能应用，如电动转向系统、伺服电机、风力发电机、电动汽车驱动系统等应用仍然面临许多困难。这些应用对电机的安全可靠性提出了很高的要求，即在电机发生某些故障后，仍然能够安全的运行，因此永磁容错电机成为国内外研究的热点。
永磁容错电机除了具备永磁电机的特点外(体积小、功率密度高、效率高等)，其特殊之处还在于：
(1)物理隔离：采用集中绕组，并且每个齿上只绕制一相绕组，这样就使得各相绕组之间不存在物理上的接触，避免了相间短路故障；
(2)磁隔离：定子齿采用极靴结构，每相绕组都是隔齿绕制，所以电机中的磁力线都是在一相之中单独形成回路，避免各相之间的磁场出现相互耦合的情况；得益于这种结构，在一相发生短路时，不会影响到其他相的正常工作；
(3)热隔离：每个槽都只有单独的一相绕组，各相绕组之间没有直接的接触；所以当一相绕组发生短路时产生的热量，很少或者不会传递到其他相，影响到其他相的绝缘性。
(4)电气隔离：每相绕组都采用独立的桥电路供电；当一相电路发生故障时，不会影响到其他相的电路供电，实现了电气上的隔离。
随着永磁材料性能的不断提高，永磁容错电机越来越广泛的应用于高性能的速度和位置控制系统。这些应用除了需要电机具备安全性和带故障运行能力外，在电机的工作稳定性、噪声和震动方面也提出了更高的要求。所以研究削减齿槽转矩和输出转矩脉动是非常具有价值的。对于减小转矩脉动，国内外都有比较深入的研究，如优化极弧系数、在转子或转子槽表面开孔、转子静态偏心等方法，都可以获得更加正弦的气隙磁密，来减小转矩脉动。然而，这些方法都有一个缺点，就是电机的平均转矩会随着转矩脉动的减小而下降，也就是说转矩脉动和平均转矩是两个相互掣肘的性能指标。所以，在减小转矩脉动的同时，如何保持转矩密度的性能不下降，也是需要重点研究的方向。
发明内容
本发明的目的是在永磁容错电机的基础上，运用谐波注削法来减小电机的齿槽转矩、优化反电势以及减小输出转矩脉动，提升电机在稳定性、噪声和震动方面的性能。其中，运用三次谐波注削的方法，能够在减小转矩脉动的情况下，保持平均转矩基本不变。
本发明是采取以下的技术方案实现的：永磁容错电机的谐波注削法，包括以下步骤：
步骤1，对目标电机的各项参数进行分析，参数包括目标电机单个极或齿的弧度、定子/转子的内外径和定子/转子之间的空气间隙长度；
步骤2，在分析总结电机特征的基础上，选择合适的谐波注削方法，确定谐波注削公式及公式中的各项参数；
步骤3，采用Excel软件进行散点数据的采集，根据步骤2中所确定的的谐波注削公式，计算得到一组数量合适的散点数据；
步骤4，采用Auto CAD绘图软件，根据步骤3中得到的散点数据，绘制出电机定子或转子的轮廓形状；
步骤5，将步骤4中得到的轮廓形状图导入有限元软件中，与原电机相结合，进行有限元分析，得到电机进行谐波注削后的各项性能参数。
进一步，步骤2中谐波注削法包括：正弦谐波注削、反余弦谐波注削、正弦加三次谐波注削和反余弦加三次谐波注削。
进一步，所述步骤2中的谐波注削公式为：
h(θ)＝kΔh[sin(bθ)+asin(3bθ)] (I)
g(θ)＝kΔg/[cos(bθ)-acos(3bθ)] (II)
其中θ表示电机中定子或转子所对应的机械角度；a表示注入的三次谐波幅值；b是由单个极或齿所计算出的数值；k是随a变化的一个值，作用是使电机的最小气隙长度保持不变；Δh表示铁芯或永磁体进行注削的最大厚度；Δg表示电机的最小气隙长度；公式(I)表示正弦加三次谐波注削法，当k＝1且a＝0时，公式反映的是正弦谐波注削法；公式(II)表示反余弦加三次谐波注削法，当k＝1且a＝0时，公式反映的是反余弦谐波注削法。
进一步，所述步骤3中散点数据的数量为101组。
进一步，所述步骤4中，将上述步骤3中的多组数据复制，然后在Auto CAD中输入PLINE命令粘贴数据，得到单个极或齿的轮廓形状，最后根据电机的结构在软件中画出完整的定子或转子；绘图完成后将文件保存为.dxf格式。
进一步，所述步骤5中，将上述步骤4得到的.dxf文件导入Ansoft Maxwell软件中，得到谐波注削的电机结构模型，进行有限元仿真分析。
进一步，所述谐波注削法能够以一种谐波注削方法单独使用，或两种谐波注削方法组合使用；用于表贴式永磁电机，或用于内嵌式永磁电机。
本发明的有益效果为：
1.本发明中的永磁容错电机进行谐波注削后，能够有效的减小齿槽转矩、优化反电势以及减小输出转矩脉动，使电机在稳定性、噪声和震动方面的性能有明显的提升。
2.本发明的三次谐波注削法，能够在减小齿槽转矩和输出转矩脉动的情况下，保持电机的平均转矩基本不变，比较全面的提高电机的性能。
3.本发明的电机谐波注削中包含多种注削方法，能够通过方法间的自由组合，使得电机性能提升的侧重点不同。
4.本发明中的永磁容错电机具备高转矩密度、高效率和容错性的特点，再运用谐波注削的方法，减小齿槽转矩和转矩脉动，使以上的优点相互结合，能够获得更加优异的电机性能。
附图说明
图1为本发明的电机谐波注削法示意图。
图2为本发明spoke型永磁容错电机(原电机)的结构示意图。
图3为本发明原电机和原电机谐波注削(实施例电机)的齿槽转矩比较图。
图4为本发明原电机和实施例电机的反电动势比较图。
图5为本发明原电机和实施例电机的反电动势谐波分析图。
图6为本发明原电机和实施例电机的输出转矩比较图。
图7为本发明谐波注削流程图。
图中标号名称：1.燕尾槽，2.外转子，3.永磁体，4.电枢绕组，5.容错齿，6.内定子。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图2所示，五相spoke型永磁容错电机包括同轴的内定子6和外转子2；所述内定子6包括沿着电机圆周交替排列的电枢齿和容错齿5以及绕在电枢齿的电枢绕组4，所述容错齿5对各相绕组起到物理隔离的作用；所述外转子2包括转子铁芯、永磁体3和燕尾槽1；所述转子铁芯外周设有燕尾槽1，转子铁芯分块排布，所述永磁体3呈spoke状沿圆周内嵌在分块的转子铁芯中。
下面以五相spoke型永磁容错电机为例，其方法步骤如图7所示：
1)对目标电机的各项参数进行分析，便于确定谐波注削公式中各项参数的数值；所述步骤1)中必要的参数包括：电机单个极或齿的弧度、定转子的内外径和定转子之间的空气间隙长度。
2)在分析总结电机特征的基础上，选择合适的谐波注削方法，确定谐波注削公式及公式中的各项参数；
所述步骤2)中谐波注削法包括：正弦谐波注削、反余弦谐波注削、正弦加三次谐波注削和反余弦加三次谐波注削；
如图1所示，本发明公开了电机谐波注削法，图1(a)和图1(b)分别可以用公式(I)和(II)来描述：
h(θ)＝kΔh[sin(bθ)+asin(3bθ)] (I)
g(θ)＝kΔg/[cos(bθ)-acos(3bθ)] (II)
其中θ表示电机中定子或转子所对应的机械角度；a表示注入的三次谐波幅值；b是由单个极或齿所计算出的数值；k是随a变化的一个值，作用是使电机的最小气隙长度保持不变；Δh表示铁芯或永磁体进行注削的最大厚度；Δg表示电机的最小气隙长度；公式(I)表示正弦加三次谐波注削法，当k＝1且a＝0时，公式反映的是正弦谐波注削法；公式(II)表示反余弦加三次谐波注削法，当k＝1且a＝0时，公式反映的是反余弦谐波注削法。
图1(a)中l2表示正弦谐波注削法；l1和l3分别表示正弦波和三次谐波，两者相叠加后得到正弦加三次谐波注削法l4；由于需要保持气隙最小长度不变，所以l1代表的正弦波的幅值要比正弦谐波注削法l2的幅值大。图1(b)中l5表示反余弦谐波注削法，l6表示反余弦加三次谐波注削法，同样需要保持最小气隙长度不变。
通过谐波注削能够有效的提升气隙磁密和反电势波形的正弦度，减小各次谐波的含量，同时减小齿槽转矩，达到减小整体转矩脉动的目的。由于气隙谐波注削是保持最小的气隙长度不变，所以一个周期内的等效气隙长度会增加，导致磁路的磁阻增加，从而使气隙磁密的幅值有所减小，最终会减小电机的输出转矩。所以为了避免正弦或反余弦谐波注削产生的这个问题，通过注入三次谐波，使输出转矩在正弦或反余弦谐波注削的基础上得到增加。
3)运用数据计算软件，根据步骤2)中的谐波注削公式，计算得到一组数量合适的散点数据；
所述步骤3)中采用Excel软件进行散点数据的采集；首先根据电机的极或齿的弧度(公式(I)和(II)中的θ)等分成需要的散点个数(本次实验优先选取101个点)，然后在Excel软件中输入谐波注削公式，根据自变量θ得到因变量h(θ)的值，总共101组数据；由于电机的极或齿是用弧度表示的，所以最终每组数据组成的点需要用极坐标表示；
上述步骤3)中的散点数据数量要合适；散点的数据量太大会导致电机在进行有限元分析的过程中，分析时间过长；数据量不足会导致绘制出的轮廓形状与谐波注削公式的拟合度不高，得到的电机性能参数不理想，本实施例中的101组数据是经过大量的仿真实验得出的最优结果。
4)运用专业绘图软件，根据步骤3)中得到的散点数据，绘制出电机定子或转子的轮廓形状；
所述步骤4)中采用Auto CAD绘图软件；将上述步骤3)中的101组数据复制，然后在Auto CAD中输入PLINE命令粘贴数据，得到单个极或齿的轮廓形状，最后根据电机的结构在软件中画出完整的定子或转子；绘图完成后将文件保存为.dxf格式；
5)将步骤4)中得到的轮廓形状图导入有限元软件中，与原电机相结合，进行有限元分析，得到电机进行谐波注削后的各项性能参数；
所述步骤5)中采用Ansoft Maxwell有限元分析软件；将步骤4)中的.dxf文件导入有限元分析软件中，设置好各项参数，进行有限元分析，最终得到电机的性能参数。
图2为spoke型永磁容错电机的结构示意图，本发明以其为原电机，在此基础上进行谐波注削，得到实施例电机，将两者的性能相比较，说明本发明的有益效果。图3表示原电机和实施例电机的齿槽转矩比较。由图可知，在运用谐波注削法后，齿槽转矩与之前相比有了大幅的降低，从原来的662mN·m下降到了140mN·m。
图4和图5分别表示原电机和实施例电机在反电势及其谐波分析方面的比较。从图上可以看出，实施例电机反电势正弦度相比于原电机有了明显的提升，从其谐波分析中也可以验证这一点。除此之外，还可以从图5中得知，电机进行谐波注削后，不仅次谐波的含量减少了许多，而且基波的幅值基本与原电机保持不变，这表示电机在转矩脉动方面的性能有了很大的提升的同时，平均转矩基本保持不变。图6反映了原电机和实施例电机在输出转矩性能上的比较。由图可知，实施例电机的转矩脉动相比原电机有了明显的降低，从12.5％降低到2.4％，下降了10.1％，而且平均转矩基本不变，有效的提升了电机输出转矩的性能。
综上，本发明公开了永磁容错电机的谐波注削法，以减小电机齿槽转矩、优化反电势以及减小输出转矩脉动。在基于电动汽车应用设计的spoke型永磁容错电机的基础上，采用谐波注削法，具体包括：正弦谐波注削、正弦加三次谐波注削、反余弦谐波注削及反余弦加三次谐波的注削，单独施加于定子或转子，又或者通过方法间的组合同时施加于定子和转子进行谐波注削，提升电机的性能。这些方法既能用于转子或定子的铁芯部分(内嵌式永磁电机)，也可以应用在转子或定子的永磁体部分(表贴式永磁电机)。永磁容错电机运用谐波注削的方法后，能够有效的提升气隙磁密和反电势波形的正弦度，减小各类次谐波的含量，达到减小整体转矩脉动的目的。同时，能够增加电机运行的稳定性，减小噪声及震动。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.永磁容错电机的谐波注削法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对目标电机的各项参数进行分析，参数包括目标电机单个极或齿的弧度、定子和转子的内外径、定子和转子之间的空气间隙长度；
步骤2，在分析总结电机的各项参数的基础上，选择合适的谐波注削法，确定谐波注削公式及公式中的各项参数；所述步骤2中的谐波注削公式为：
h(θ)＝kΔh[sin(bθ)+asin(3bθ)] (I)
g(θ)＝kΔg/[cos(bθ)-acos(3bθ)] (II)
其中，θ表示电机中定子或转子所对应的机械角度；a表示注入的三次谐波幅值；b是由单个极或齿所计算出的数值；k是随a变化的一个值，作用是使电机的最小气隙长度保持不变；Δh表示铁芯或永磁体进行注削的最大厚度；Δg表示电机的最小气隙长度；公式(I)表示正弦加三次谐波注削法，当k＝1且a＝0时，公式反映的是正弦谐波注削法；公式(II)表示反余弦加三次谐波注削法，当k＝1且a＝0时，公式反映的是反余弦谐波注削法；h(θ)为永磁体或铁芯的厚度变化，g(θ)为定子和转子之间气隙长度的变化；
步骤3，采用Excel软件进行散点数据的采集，根据步骤2中所确定的谐波注削公式，计算得到多组数量合适的散点数据；所述步骤3的散点数据采集过程为：首先根据电机的极或齿的弧度θ等分成合适的散点个数，然后在Excel软件中输入谐波注削公式，即公式(I)或公式(II)；接下来，根据自变量θ得到因变量h(θ)或g(θ)的值；由于电机的极或齿是用弧度表示的，所以最终每组数据组成的点需要用极坐标表示；
步骤4，采用Auto CAD绘图软件，根据步骤3中得到的散点数据，绘制出电机定子或转子的轮廓形状；
步骤5，将步骤4中得到的轮廓形状图导入有限元软件中，与原电机相结合，进行有限元分析，得到电机进行谐波注削后的各项性能参数。
2.根据权利要求1所述的永磁容错电机的谐波注削法，其特征在于：所述步骤3中散点数据的数量为101组。
3.根据权利要求1所述的永磁容错电机的谐波注削法，其特征在于：所述步骤4中，将上述步骤3中的多组数据复制，然后在Auto CAD中输入PLINE命令粘贴数据，得到单个极或齿的轮廓形状，最后根据电机的结构在软件中画出完整的定子或转子；绘图完成后将文件保存为.dxf格式；此后，将得到的.dxf文件导入Ansoft Maxwell软件中，得到谐波注削的电机结构模型，进行有限元仿真分析。
4.根据权利要求1所述的永磁容错电机的谐波注削法，其特征在于：所述谐波注削法能够以一种谐波注削方法单独使用，或两种谐波注削方法组合使用；用于表贴式永磁电机，或用于内嵌式永磁电机。
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Contract record no.: X2023980045160

Denomination of invention: Harmonic injection cutting method for permanent magnet fault-tolerant motors

Granted publication date: 20181009

License type: Common License

Record date: 20231102

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20160203

Assignee: Dongtai Gaoxin Mechanical Equipment Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023980046304

Denomination of invention: Harmonic injection cutting method for permanent magnet fault-tolerant motors

Granted publication date: 20181009

License type: Common License

Record date: 20231110

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract