CN105391261A - 气隙磁场正弦分布的高速隐极电励磁同步电机转子及其结构参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气隙磁场正弦分布的高速隐极电励磁同步电机转子及其结构参数确定方法。该转子每一极有2<i>n</i>个齿，中间一个是大齿，两侧各有<i>n</i>个对称分布的槽，用于安放该极的励磁绕组，每极的励磁绕组由<i>n</i>个匝数不同、节距不同的同心式励磁线圈串联而成，各槽尺寸由该槽的导线数决定，如图所示。按照气隙磁场正弦分布，则绕组线匝必须余弦分布的原则确定槽数、齿距和各槽的导体数，使气隙磁场波形逼近正弦分布，减小磁场谐波分量，降低电机的转矩脉动和振动噪声，减小损耗、提高电机效率。另外，与凸极同步电机转子相比，隐极式转子能大幅度地提高转子安全运行的最高转速，又能增加励磁绕组的散热面积，有助于提高电机的功率密度。

Description

气隙磁场正弦分布的高速隐极电励磁同步电机转子及其结构参数确定方法

技术领域

本发明涉及一种隐极电励磁同步电机转子及其结构参数确定方法，特别是一种气隙磁场正弦分布的高速隐极电励磁同步电机转子及其结构参数确定方法。

背景技术

近年来，随着电力电机技术、微电子技术、计算机技术和控制理论等学科的发展和相互渗透，电励磁同步电机与永磁同步电机相比，因具有磁场可控等优点，已被应用在气体压缩机、水泵、高速鼓风机和高速宽调速电动汽车等驱动机械中。

常用的电励磁同步电机转子有凸极式和隐极式两种结构，凸极式转子结构和制造简单，可通过调整非均匀气隙使气隙磁场接近正弦分布，其主要缺点是机械强度较差，仅适用于低速运行；隐极式转子通常为每极由一个大齿和若干个小齿构成，特别适用于电机高速运行的场合。

设计隐极式转子时常规先确定转子每极的槽距数Z₂’(转子槽分度数)，然后，再确定磁极中心线两侧实际安放转子励磁绕组的槽数Z₂，其余的(Z₂’-Z₂)个槽跳空(即没有开槽)形成一个大齿。通过合理选择比值γ＝Z₂/Z₂’可使电机的气隙磁场分布接近正弦。这种方法适用于大型电机，因为转子的槽距数Z₂’大，γ的选择较灵活，便于实现转子磁场的正弦度要求。对于中小型电机，由于机械强度和制造工艺的原因，能满足电机绕组对称性条件的槽距数Z₂’方案不多，导致γ的选值范围很有限，难以实现气隙磁场正弦分布。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种气隙磁场正弦分布的高速隐极电励磁同步电机转子及其结构参数确定方法，克服常规技术存在的缺点，既能提高电机的最大安全运行转速，又能改善磁场波形、抑制磁场谐波分量，使它逼近正弦分布，降低转矩脉动和振动噪声，减小损耗、提高电机效率。

为了达到上述目的，本发明的构思是：转子每极的中心线处有一个大齿，两侧各有n个对称分布的槽，通过调节槽数、齿距和各槽的导体数来实现气隙磁场波形的正弦分布，减小磁场谐波分量，降低电机的转矩脉动，提高电机的电磁性能。

根据上述发明构思，本发明的技术方案是一种气隙磁场正弦分布的高速隐极电励磁同步电机转子，如图1所示(例图中n＝4)，其特征在于：

(1)每一极有2n个齿，中间一个是大齿，其中心线即为极中心线；各小齿为等齿距，磁极中性线处为小齿中心线。

(2)每极的大齿两侧各有n个槽，用于安放该极的励磁绕组。各槽内嵌入的导线数按气隙磁场正弦分布的原则确定，各槽最大槽深，受机械强度、刚度和磁轭的磁密大小制约，各槽尺寸由该槽的导线数和导线线径决定。

(3)每极的励磁绕组由n个匝数不同、节距不同的同心式励磁线圈串联而成。

上述转子结构参数确定方法，其特征在于确定步骤如下：

记半齿距角(小齿中心线到相邻槽中心线之间的空间角度，单位为电弧度)为α，取磁极中性线处为角度坐标的原点即θ＝0，则磁极中心处θ＝π/2，第i个槽中心处θ_i＝(2i-1)α,i＝1,2,...,n，如图2所示(例图中n＝4)。图中，当励磁电流确定时，理想的正弦分布的气隙磁势需由理想的余弦分布的励磁电流线密度产生。

(a)根据技术要求和实际尺寸大小确定n值，磁势正弦度要求高的n需要取大值；转子尺寸大的n可取大值。

(b)为使磁势分布接近正弦，则绕组线匝必须接近余弦分布。假设槽内导线集中在槽中心，当n确定后，半齿距角α的理论值可由式(1)解得：

$2\mathrm{\&alpha;}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}sin2i\mathrm{\&alpha;}-(2n-1)\mathrm{\&alpha;}+\left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-1\right)=0,0<\mathrm{\&alpha;}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{4n}---\left(1\right)$

(c)根据电机电磁性能要求的每极励磁总安匝数F_t(单位为A)，估算转子表面励磁电流线密度幅值A_m(单位为A/rad)：

A_m＝F_t(2)

(d)根据励磁电流I_f(单位为A)，计算实际各槽导体数N_i为：

$N_i=\left\{\begin{array}{cc}\&lsqb;\frac{A_m}{I_f}\{sin2i\mathrm{\&alpha;}-sin2(i-1)\mathrm{\&alpha;}\}\&rsqb;,& i=1,2,\mathrm{...}n-1\\ \&lsqb;\frac{A_m}{I_f}\{1-\sin 2(n-1)\mathrm{\&alpha;}\}\&rsqb;,& i=n\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中方括号表示四舍五入取整。

(e)修正后的各段阶梯磁势F′_i为：

$F_i^{\&prime;}=I_f\underset{j=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{N}_j,i=0,1,2,\mathrm{...}n---\left(4\right)$

(f)修正后的半齿距角α’为：

${\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}=\frac{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-1}{2\left(n-\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{F}_i^{\&prime;}}{F_n^{\&prime;}}\right)-1}---\left(5\right)$

(g)每极励磁绕组总匝数N_t为：

$N_t=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{N}_i---\left(6\right)$

(h)修正后的每极励磁总安匝F′_t为：

F′_t＝I_fN_t(7)

(i)根据最大槽深和各槽导体数确定各槽的尺寸。

原理简述

由电机学原理可知，若转子表面励磁电流线密度分布(励磁安匝数沿圆周分布)为余弦时，转子磁势沿圆周分布便为正弦。

转子磁势沿圆周分布(单位为A)：

$F\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\underset{0}{\overset{\mathrm{\&theta;}}{\&Integral;}}A\left(\mathrm{\&theta;}\right)d\mathrm{\&theta;}---\left(A1\right)$

式中θ为转子表面圆周的角度坐标，单位为(elec.)rad，磁极中性线处θ＝0；A为转子表面励磁电流线密度分布，单位为A/rad。

若：

A(θ)＝A_mcosθ(A2)

式中下标m表示幅值。则

F(θ)＝A_msinθ(A3)

此时每极磁势总安匝为：

$F_t=\underset{0}{\overset{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}}{\&Integral;}}{A}_{m}sin\mathrm{\&theta;}d\mathrm{\&theta;}=A_m---\left(A4\right)$

考虑到转子结构的特点，将转子表面励磁电流线密度在一个齿距内的电流(单位为A)集中安置于对应齿距中心的槽中，如图2所示。则前半极距的n个槽内的电流为：

$I_i=\left\{\begin{array}{cc}\underset{2\left(i-1\right)\mathrm{\&alpha;}}{\overset{2i\mathrm{\&alpha;}}{\&Integral;}}{A}_m\cos \mathrm{\&theta;}d\mathrm{\&theta;}=A_m\&lsqb;\sin 2i\mathrm{\&alpha;}-\sin 2\left(i-1\right)\mathrm{\&alpha;}\&rsqb;,& i=1,2,\mathrm{...}n-1\\ \underset{2\left(n-1\right)\mathrm{\&alpha;}}{\overset{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}}{\&Integral;}}{A}_m\cos \mathrm{\&theta;}d\mathrm{\&theta;}=A_m\&lsqb;1-\sin 2\left(n-1\right)\mathrm{\&alpha;}\&rsqb;,& i=n\end{array}\right.---\left(A5\right)$

在关大齿中心对称分布的2n个槽中的励磁电流，形成关大齿中心对称的2n+1段非等高的磁势阶梯波，如图3所示(例图中n＝4)。则前半极距的n+1阶梯的磁势为(注意：第一段的编号为0)：

$F_i=\underset{j=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{I}_j=\left\{\begin{array}{ccc}0,& 0\&le;\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&alpha;},& i=0\\ A_m\sin 2i\mathrm{\&alpha;},& \left(2i-1\right)\mathrm{\&alpha;}\&le;\mathrm{\&theta;}<\left(2i+1\right)\mathrm{\&alpha;},& i=1,2,\mathrm{...}n-1\\ A_m,& \left(2n-1\right)\mathrm{\&alpha;}\&le;\mathrm{\&theta;}\&le;\mathrm{\&pi;}/2,& i=n\end{array}\right.---\left(A6\right)$

为了用该磁势阶梯波代替正弦波，令阶梯波与正弦波的计算极弧系数相等：

$\begin{array}{c}\frac{2\left\{2\mathrm{\&alpha;}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{F}_i+\&lsqb;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\left(2n-1\right)\mathrm{\&alpha;}\&rsqb;F_n\right\}}{{\mathrm{\&pi;F}}_n}=\frac{2\left\{2\mathrm{\&alpha;}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{A}_m\sin 2i\mathrm{\&alpha;}+\&lsqb;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\left(2n-1\right)\mathrm{\&alpha;}\&rsqb;A_m\right\}}{{\mathrm{\&pi;A}}_m}\\ =\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}\left\{2\mathrm{\&alpha;}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}\sin 2i\mathrm{\&alpha;}+\&lsqb;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\left(2n-1\right)\mathrm{\&alpha;}\&rsqb;\right\}=\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}\end{array}---\left(A7\right)$

半齿距角α可由以下方程解得：

$2\mathrm{\&alpha;}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}sin2i\mathrm{\&alpha;}-(2n-1)\mathrm{\&alpha;}+\left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-1\right)=0,0<\mathrm{\&alpha;}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{4n}---\left(A8\right)$

以计算极弧系数相等的方法确定半齿距角α的理论值，进而由式(A5)可确定各槽电流的理论值，以改进气隙磁势波形，使其逼近正弦分布，减小谐波分量。由于各槽导体数必须为整数，若励磁电流为I_f，则实际各槽导体数为：

$N_i=\&lsqb;\frac{I_i}{I_f}\&rsqb;=\left\{\begin{array}{cc}\&lsqb;\frac{A_m}{I_f}\{sin2i\mathrm{\&alpha;}-sin2(i-1)\mathrm{\&alpha;}\}\&rsqb;,& i=1,2,\mathrm{...}n-1\\ \&lsqb;\frac{A_m}{I_f}\{1-\sin 2(n-1)\mathrm{\&alpha;}\}\&rsqb;,& i=n\end{array}\right.---\left(A9\right)$

式中方括号表示四舍五入取整。

修正后的各槽电流为：

I′_i＝N_iI_f,i＝1,2,...n(A10)

修正后的各段阶梯磁势为：

$F_i^{\&prime;}=\underset{j=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{I}_j^{\&prime;}=I_f\underset{j=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{N}_j,i=0,1,2,\mathrm{...}n---\left(A11\right)$

修正后的半齿距角α’可由以下方程解得：

$\frac{2{\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}}{F_n^{\&prime;}}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{F}_i^{\&prime;}-(2n-1){\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}+\left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-1\right)=0---\left(A12\right)$

为：

${\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}=\frac{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-1}{2\left(n-\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{F}_i^{\&prime;}}{F_n^{\&prime;}}\right)-1}---\left(A13\right)$

每极励磁绕组总匝数为：

$N_t=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{N}_i---\left(A14\right)$

修正后的每极励磁总安匝为：

F′_t＝I_fN_t(A15)

根据最大槽深、各槽导体数和线径确定各槽的尺寸，即各槽的深度和宽度可以不同。

本发明与常规技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

(1)从电磁性能角度分析，该方法的优点是转子齿距角可以根据需要变化，特别适用于高速运行的中小型电机。它克服了常规电机转子槽距数Z₂’(转子槽分度数)确定后，小齿的槽距角不能改变，难以实现与正弦波极弧系数相等的缺点。另外，转子励磁绕组的各槽导体数近似余弦分布，可以进一步改善磁场波形，能有效抑制谐波分量，降低转矩脉动和振动噪声，减小铁心损耗，提高电机效率。

(2)从力学角度分析，与凸极同步电机转子相比，多槽加槽楔的隐极结构，增加了机械强度和刚度，减小了转子外圆处的形变，使转子安全运行的最高转速显著增加。

(3)从热传递角度分析，隐极多槽结构增加了绕组与铁芯之间热交换的有效面积，改善了励磁绕组的散热能力，有利于提高电机的功率密度。

附图说明

图1是本发明的一个6极高速隐极电励磁同步电机转子1/6模型结构示意图(n＝4)。

图2是本发明的高速隐极电励磁同步电机转子一个磁极的转子表面展开图(n＝4)。

图3是本发明的高速隐极电励磁同步电机转子一个磁极磁势正弦波用非等高的磁势阶梯波等效的示意图(n＝4)。

实施方式

下面结合附图和优选实施实例对本发明作进一步说明：

实施例一：

参见图1～图3，本气隙磁场正弦分布的高速隐极电励磁同步电机转子，包括转子铁芯(1)及嵌入于其中的励磁绕组(2)，其特征在于：

(a)每一极有2n个齿，中间一个是大齿(3)，其中心线即为极中心线(4)；各小齿(5)为等齿距，磁极中性线(6)处为小齿中心线；

(b)每极的大齿两侧各有n个槽(7)，用于安放该极的励磁绕组(2)，各槽内嵌入的导线数按气隙磁场正弦分布的原则确定，各槽最大槽深，受机械强度、刚度和磁轭的磁密大小制约，各槽尺寸由该槽的导线数和线径决定；

(c)每极的励磁绕组由n个匝数不同、节距不同的同心式励磁线圈串联而成。

实施例二

本气隙磁场正弦分布的高速隐极电励磁同步电机转子的结构参数确定方法其特征在于具体操作步骤为：

记半齿距角——小齿中心线到相邻槽中心线之间的空间角度为α，单位为电弧度，取磁极中性线处为角度坐标的原点即θ＝0，则磁极中心处θ＝π/2，第i个槽中心处θ_i＝(2i-1)α,i＝1,2,...,n。

(a)根据技术要求和实际尺寸大小确定n值，磁势正弦度要求高的n需要取大值；转子尺寸大的n可取大值；

(b)为使磁势分布接近正弦，则绕组线匝必须接近余弦分布：假设槽内导线集中在槽中心，当n确定后，半齿距角α的理论值可由下式(1)解得：

$2\mathrm{\&alpha;}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}sin2i\mathrm{\&alpha;}-(2n-1)\mathrm{\&alpha;}+\left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-1\right)=0,0<\mathrm{\&alpha;}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{4n}---\left(1\right)$

(c)根据电机电磁性能要求的每极励磁总安匝数F_t，单位为A，估算转子表面励磁电流线密度幅值A_m，单位为A/rad：

A_m＝F_t(2)

(d)根据励磁电流I_f，单位为A，计算实际各槽导体数N_i为：

$N_i=\left\{\begin{array}{cc}\&lsqb;\frac{A_m}{I_f}\{sin2i\mathrm{\&alpha;}-sin2(i-1)\mathrm{\&alpha;}\}\&rsqb;,& i=1,2,\mathrm{...}n-1\\ \&lsqb;\frac{A_m}{I_f}\{1-\sin 2(n-1)\mathrm{\&alpha;}\}\&rsqb;,& i=n\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中方括号表示四舍五入取整。

(e)修正后的各段阶梯磁势F′_i为：

$F_i^{\&prime;}=I_f\underset{j=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{N}_j,i=0,1,2,\mathrm{...}n---\left(4\right)$

(f)修正后的半齿距角α’为：

${\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}=\frac{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-1}{2\left(n-\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{F}_i^{\&prime;}}{F_n^{\&prime;}}\right)-1}---\left(5\right)$

(g)每极励磁绕组总匝数N_t为：

$N_t=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{N}_i---\left(6\right)$

(h)修正后的每极励磁总安匝F′_t为：

F′_t＝I_fN_t(7)

(i)根据最大槽深、各槽导体数和线径确定各槽的尺寸。

实施例三

本实施实例为一台6极、n为4的气隙磁场正弦分布的高速隐极电励磁同步电机转子，如图1所示。

(a)每一极有8个齿，中间一个是大齿，其中心线即为极中心线，各小齿等齿距，磁极中性线处为小齿中心线。

(b)每极的大齿两侧各有4个槽，用于安放该极的励磁绕组。各槽内嵌入的导线数按气隙磁场正弦分布的原则确定，各槽最大槽深，受机械强度、刚度和磁轭的磁通大小制约，本案例各槽的槽深相同，槽宽由该槽的导线数和线径决定。

(c)每极的励磁绕组由4个匝数不同、节距不同的同心式励磁线圈串联而成。

(d)依据非等高磁势阶梯波与正弦波的计算极弧系数相等的方法确定小齿齿距角和各槽导体数，具体步骤如下：

用9段(n＝4)阶梯波逼近正弦波分布，θ＝π/2为极中心处，如图3所示。

a)由式(1)求解半齿距角的理论值：α＝0.1664。

b)根据电机电磁性能要求的每极励磁总安匝数F_t＝585，由式(2)估算转子表面励磁电流线密度幅值：A_m＝585。

c)根据励磁电流I_f＝15，由式(3)计算实际各槽导体数为：N₁＝13，N₂＝11，N₃＝9，N₄＝6。

d)按式(4)计算修正后的各段阶梯磁势为：F′₁＝195，F′₂＝360，F′₃＝495，F′₄＝585。

e)按式(5)计算修正后的半齿距角：α’＝0.1674。

f)按式(6)计算每极励磁绕组总匝数N_t＝39。

g)按技术要求，根据最大槽深和各槽导体数和线径，确定各槽的尺寸。

Claims (2)

1.一种气隙磁场正弦分布的高速隐极电励磁同步电机转子，包括转子铁芯(1)及嵌入于其中的励磁绕组(2)，其特征在于：

(a)每一极有2n个齿，中间一个是大齿(3)，其中心线即为极中心线(4)；各小齿(5)为等齿距，磁极中性线(6)处为小齿中心线；

(b)每极的大齿两侧各有n个槽(7)，用于安放该极的励磁绕组(2)，各槽内嵌入的导线数按气隙磁场正弦分布的原则确定，各槽最大槽深，受机械强度、刚度和磁轭的磁密大小制约，各槽尺寸由该槽的导线数和线径决定；

(c)每极的励磁绕组由n个匝数不同、节距不同的同心式励磁线圈串联而成。

2.一种根据权利要求1所述气隙磁场正弦分布的高速隐极电励磁同步电机转子的结构参数确定方法，其特征在于具体操作步骤为：

记半齿距角——小齿中心线到相邻槽中心线之间的空间角度为α，单位为电弧度，取磁极中性线处为角度坐标的原点即θ＝0，则磁极中心处θ＝π/2，第i个槽中心处θ_i＝(2i-1)α,i＝1,2,...,n；

(a)根据技术要求和实际尺寸大小确定n值，磁势正弦度要求高的n需要取大值；转子尺寸大的n可取大值；

(b)为使磁势分布接近正弦，则绕组线匝必须接近余弦分布：假设槽内导线集中在槽中心，当n确定后，半齿距角α的理论值可由下式(1)解得：

$2\mathrm{\&alpha;}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}sin2i\mathrm{\&alpha;}-(2n-1)\mathrm{\&alpha;}+(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-1)=0,0<\mathrm{\&alpha;}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{4n}---\left(1\right)$

(c)根据电机电磁性能要求的每极励磁总安匝数F_t，单位为A，估算转子表面励磁电流线密度幅值A_m，单位为A/rad：

A_m＝F_t(2)

(d)根据励磁电流I_f，单位为A，计算实际各槽导体数N_i为：

$N_i=\left\{\begin{array}{cc}\&lsqb;\frac{A_m}{I_f}\{sin2i\mathrm{\&alpha;}-sin2(i-1)\mathrm{\&alpha;}\}\&rsqb;,& i=1,2,\mathrm{..}n-1\\ \&lsqb;\frac{A_m}{I_f}\{1-\sin 2(n-1)\mathrm{\&alpha;}\}\&rsqb;,& i=n\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中方括号表示四舍五入取整；

(e)修正后的各段阶梯磁势F_i'为：

$E_i^{\&prime;}=I_f\underset{j=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{N}_j,i=0,1,2,\mathrm{..}n---\left(4\right)$

(f)修正后的半齿距角α’为：

${\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}=\frac{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-1}{2\left(n\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{F}_i^{\&prime;}}{F_n^{\&prime;}}\right)-1}---\left(5\right)$ (g)每极励磁绕组总匝数N_t为：

$N_t=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{N}_i---\left(6\right)$ (h)修正后的每极励磁总安匝F_t'为：

F_t′＝I_fN_t(7)

(i)根据最大槽深、各槽导体数和线径确定各槽的尺寸。