CN106026598A - 一种减小开关磁通永磁电机齿槽转矩的结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减小开关磁通永磁电机齿槽转矩的结构，该结构在传统开关磁通永磁电机的基础上通过定子外侧向定子极方向缩短永磁体长度，并在定子轭部永磁体缩短处加入铁芯桥，优化并确定最优的永磁体长度，来有效地减小齿槽转矩。该结构简单有效，以牺牲小部分的输出转矩为代价，实现大幅减小齿槽转矩，并减少了永磁体的用量，节省了电机的成本。

Description

一种减小开关磁通永磁电机齿槽转矩的结构

技术领域

本发明涉及永磁电机领域，具体涉及一种减小开关磁通永磁电机齿槽转矩的结构。

背景技术

开关磁通永磁电机(Flux-Switching Permanent Magnet Machine，FSPM)是一种新型双凸极永磁电机，它的结构与开关磁阻电机类似，都拥有结构简单、无绕组的转子；在定子方面，开关磁通永磁电机在每个定子极中间嵌入了永磁体，形成了“U”形硅钢片与永磁体的“三明治”结构。两两相邻的永磁体充磁方向相反，且均为横向充磁，以此达到磁通切换的目的。开关磁通永磁电机有着比开关磁阻电机更高的转矩密度和功率密度，较高的效率以及良好的弱磁能力。

由于拥有双凸极结构，开关磁通永磁电机有着不小的齿槽转矩。齿槽转矩的存在虽然不影响平均的输出转矩，但是却在转矩波动、转速波动、机械振动以及噪音方面给电机带来了不利影响，尤其在低负载和低速的情况下影响更大。开关磁通永磁电机的齿槽转矩由永磁体和电枢铁芯齿槽间的相互作用产生，过程如下：在电机绕组未馈入电流的情况下，根据主磁通总是通过最小磁阻原理，转子总是趋向于稳定在某一平衡位置，当转子相对于定子转动时，转子偏离平衡位置，但是此时产生一个力想要把转子拉回平衡位置，这个力就是齿槽转矩引起的。当转子处于平衡位置时，齿槽转矩为零，转子偏离平衡位置越远，产生的齿槽转矩就越大。由于开关磁通永磁电机是对称结构，因此在转子转动过程中，齿槽转矩一直处于周期性的变化之中，在电机运行过程中会引起转矩波动、噪声和振动。

目前减小齿槽转矩主要有控制策略的优化和电机本体结构的优化两种。控制策略的优化能够取得较好的效果，但是却不能适用于所有的电机运行状况和控制策略。电机本体结构的优化能够一劳永逸的解决齿槽转矩的问题，不管电机运行在什么情况下。较常用的电机本体结构优化方法有转子斜极、转子空槽、转子大小齿配合和转子极弧系数组合优化等。

开关磁通永磁电机的定子铁芯呈圆周式分散排列，并在两个定子铁芯之间嵌入永磁体，大大增加了电机装配的难度，对生产精度也提出了更高的要求。为了解决这一问题，在定子铁芯轭部加入铁芯桥，将定子连接成一个整体，降低了装配难度，也利于电机的批量生产，因此对于这种含铁芯桥的开关磁通永磁电机的研究分析十分具有实际意义。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种减小开关磁通永磁电机齿槽转矩的结构。该结构在传统开关磁通永磁电机的基础上，通过定子外侧向定子极方向缩短永磁体长度，并在定子轭部永磁体缩短处加入铁芯桥，优化并确定最优的永磁体长度，来有效地减小齿槽转矩。该结构简单有效，以牺牲小部分的输出转矩为代价，实现大幅减小齿槽转矩，并减少了永磁体的用量，节省了电机的成本。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明公开了一种减小开关磁通永磁电机齿槽转矩的结构，包括转子、定子、永磁体和绕组，所述的定子为12极凸极结构，转子为10极凸极结构，定子齿内嵌有永磁体，定子槽内分布有集中绕组，共有三相，同相绕组串联，所述的永磁体的长度小于定子极总高，所述定子的轭部置有铁芯桥。

优选的，所述的铁芯桥放置于定子轭部，并始终保持与永磁体紧靠。

优选的，所述的所有铁芯桥的厚度相等。

优选的，所述的定子极总高定义为定子外径与定子内径之差的一半。

优选的，所述的永磁体的长度不小于定子极总高的85％，铁芯桥的厚度为定子轭高的一半。

有益效果：本发明在传统开关磁通永磁电机的基础上，通过定子外侧向定子极方向缩短永磁体长度，并在定子轭部永磁体缩短处加入铁芯桥，优化并确定最优的永磁体长度，来有效地减小齿槽转矩。具体的，具有以下优点：

(1)在定子轭部加入铁芯桥，能够使定子铁芯连接成一个整体，从而大大降低了电机的制造和装配难度，使本发明更具实际意义。

(2)缩短永磁体长度不仅能够减小齿槽转矩，同时也减少了永磁体的用量，降低了电机的成本。

(3)该结构能够使电机在损失小部分输出转矩的前提下，大幅减小电机的齿槽转矩。

(4)

附图说明

图1为传统的开关磁通永磁电机的剖面图。

图2为本发明定子带铁芯桥的开关磁通永磁电机的剖面图。

图3为本发明提出的缩短永磁体长度的电机剖面图。

图4为本发明电机在不同永磁体长度下随转子位置变化的齿槽转矩。

图5为本发明电机在不同永磁体长度下的齿槽转矩峰值和平均输出转矩。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，传统的三相12/10极开关磁通永磁电机，其定子1为12极凸极结构，转子2为10极凸极结构。在定子齿内嵌入了横向充磁的永磁体3，且相邻永磁体的充磁方向相反。在定子槽内分布有集中绕组4，共有三相，同相绕组串联。

如图2所示，本发明在传统的开关磁通永磁电机的基础上，从定子外侧向定子极方向缩短永磁体长度，并在定子轭部永磁体缩短处加入了铁芯桥5，并使铁芯桥5始终保持与永磁体紧靠，所有永磁体缩短处设置的铁芯桥的厚度相等。以传统的开关磁通永磁电机的永磁体长度为20mm为例，铁芯桥的厚度可选取为1mm。铁芯桥的加入能够将定子连接成一个整体，从而大大降低了电机的装配难度，利于电机的生产制造。

如图3所示，在图2所示的基础上，继续将永磁体沿定子外侧向定子极方向缩短长度6，在此过程中铁芯桥始终与永磁体保持紧靠7。为得到最优的永磁体长度，共选取了15mm、16mm、17mm、18mm和19mm共五种长度，并以传统的开关磁通永磁电机为对照，即永磁体长度为20mm，进行分析研究。

如图4所示，电机的齿槽转矩随着转子位置的变化呈周期性变化，并随永磁体长度的减小而减小。传统的开关磁通永磁电机的永磁体长度为20mm，其齿槽转矩最大，当永磁体长度变为19mm，并加入铁芯桥之后，其齿槽转矩峰值下降了约25％。当永磁体的长度继续从19mm减小到15mm时，齿槽转矩峰值大约减小到传统开关磁通永磁电机的一半。

如图5所示，电机的平均输出转矩也随着永磁体长度的减小而减小，但是其减小幅度小于齿槽转矩。以传统的开关磁通永磁电机，即永磁体长度为20mm作为参照，当永磁体长度变为19mm，并加入铁芯桥之后，平均输出转矩减小了2％，而齿槽转矩峰值减小了25％，同时永磁体的用量也减小了5％。继续减小永磁体长度，选取长度为17mm，其平均输出转矩约减小了10％，而齿槽转矩峰值减小了约45％，同时永磁体的用量也减小了15％。

由此可见，本发明所提出的结构能够有效的减小开关磁通永磁电机的齿槽转矩，并且能减小永磁体的用量，节省电机的成本。当对电机的输出转矩要求非常高时，永磁体长度选取为19mm是最优的，因为其以仅2％的输出转矩的损失而换取25％的齿槽转矩的降低。当对电机的输出转矩要求不高时，永磁体长度可选取为17mm，其能够大幅减小45％的齿槽转矩，减小15％的永磁体用量，而损失10％的输出转矩。

以上所述仅是本发明的优选实施方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种减小开关磁通永磁电机齿槽转矩的结构，其特征在于包括转子、定子、永磁体和绕组，所述的定子为12极凸极结构，转子为10极凸极结构，定子齿内嵌有永磁体，定子槽内分布有集中绕组，共有三相，同相绕组串联，所述的永磁体的长度小于定子极总高，所述定子的轭部置有铁芯桥。

2.根据权利要求1所述的一种减小开关磁通永磁电机齿槽转矩的结构，其特征在于：所述的铁芯桥放置于定子轭部，并始终保持与永磁体紧靠。

3.根据权利要求1或2所述的一种减小开关磁通永磁电机齿槽转矩的结构，其特征在于：所述的所有铁芯桥的厚度相等。

4.根据权利要求1所述的一种减小开关磁通永磁电机齿槽转矩的结构，其特征在于：所述的定子极总高定义为定子外径与定子内径之差的一半。

5.根据权利要求1-3任一项所述一种减小开关磁通永磁电机齿槽转矩的结构，其特征在于所述的永磁体的长度不小于定子极总高的85％，铁芯桥的厚度为定子轭高的一半。