CN107482804B - 一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机，属于电工电机制造技术领域，该电机包括转子和定子，定子开有定子槽，定子槽上饶有矩形电枢绕组；转子的结构为：转子轴上焊接有四个均匀分布的扇形转子，扇形转子外周两端表贴等大的第一永磁体、中间表贴第二永磁体；第二永磁体与第一永磁体之间存在夹角，第一永磁体的厚度由中间向两端逐渐减小，第二永磁体的厚度由靠近第一永磁体的一端向另一端逐渐减小。本发明可以显著的削弱永磁电机的齿槽转矩，同时转轴的硅钢片用量降低会使转子变轻，提高电机的输出转矩，改善电机的性能。

Description

一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机
技术领域
本发明属于电工电机制造技术领域，具体涉及一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机。
背景技术
永磁同步电机的齿槽转矩是由永磁体和定子齿槽之间的相互作用力波动引起的振荡转矩，由于齿槽转矩会引起转矩的波动，可能带来电机的振动和噪声，当电机在低速轻载运行时会影响电机的低速性能和高精度定位，在电机的设计中解决齿槽转矩问题非常重要，不但可以改善电机的启动性能还可以提高控制系统的精度。
通过现有的技术无法完全消除齿槽转矩，只能减小其影响，减小齿槽转矩主要是减小气隙的谐波分量，通过改变永磁体的形状和齿槽结构的方式来削弱其中的某一次的谐波，从而使气隙的谐波分量变小，达到减小齿槽转矩的目的。减小齿槽转矩的方法有：槽极配合，斜槽，斜极，辅助槽，极弧系数法等，但是有些方法存在明显的缺点，例如：运用定子斜槽或者转子斜极的方法会增加电机的杂散损耗和漏感，当电机的铁心较短或槽数较少时，斜槽和斜极的制作工艺要比较复杂，同时钳线比较复杂，另外还会使电机的推力常数下降。
现有技术中由于单块永磁体沿圆周方向的宽带固定，单个定子齿所受到的齿槽转矩含有复杂的谐波成分，所有定子齿的齿槽转矩叠加合成的齿槽转矩因谐波影响难以相互抵消，存在较大的峰值，影响电机的性能。永磁体分块的方法由于简单的特点逐渐受到人们地关注，通过合理的选择等厚度的永磁体分块数、分块宽度和分块的间隔，可以使永磁体分块产生的齿槽转矩相互抵消，从而削弱齿槽转矩。但在改善效果上并不是很理想，容易造成空载反电势过大和温度场局部饱和。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提出了一种减小齿槽转矩的整体的电机结构，该电机通过对槽的形状、转子的结构和分块永磁体的形状进行调节，改变了气隙的分布情况，减小了使齿槽转矩变大的N次谐波，使电机运行的更加平稳可靠。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机，包括转子和定子，所述定子开有定子槽，所述定子槽上饶有电枢绕组；所述转子的结构为：转子轴上焊接有四个均匀分布的扇形转子，所述扇形转子外周两端表贴等大的第一永磁体、中间表贴第二永磁体，所述第二永磁体与第一永磁体之间存在夹角，所述第一永磁体的厚度由中间向两端逐渐减小，所述第二永磁体的厚度由靠近第一永磁体的一端向另一端逐渐减小。
上述方案中，所述定子槽的槽口采用封闭式，定子槽的槽型为矩形，所述电枢绕组为矩形绕组，所述扇形转子的材料为硅钢片，所述第一永磁体、第二永磁体的偏心距均为4mm。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出的实质特点和技术进步：本发明通过对不等厚的永磁体进行分块，且永磁体内外径存在偏心距，从而改变永磁体和定子之间气隙的谐波分量，使电机运行时气隙磁密的均匀，进而减小齿槽转矩；本发明转子采用扇形结构，使得转子材料硅钢片用量减少，节约成本的同时转子重量变轻，提高了电机的输出功率。
附图说明
图1为本发明一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机的结构示意图；
图2为新型表贴式永磁同步电机的转子结构示意图；
图3为齿槽转矩随偏心距变化曲线图；
图4为为不等厚度永磁体分块后的结构示意图；
图5为改进后电机齿槽转矩的变化曲线图；
图6为新型表贴式永磁同步电机工作过程中定子齿相对永磁体的位置示意图。
图中：1-定子槽，2-第一永磁体，3-第二永磁体，4-转子，5-定子，6-电枢绕组，7-转子轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的说明。
如图1所示，一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机，包括转子4和定子5，定子5开有定子槽1，定子槽1上饶有矩形电枢绕组6(电枢绕组6采用矩形绕组，可提高电机的槽满率且适合中低端工业使用)；转子4的结构为：转子轴7上焊接有四个均匀分布的扇形转子4(图2)，扇形转子4外周表贴永磁体，永磁体分成三块，扇形转子4外周两端表贴等大的第一永磁体2、中间表贴第二永磁体3，第二永磁体3偏大；转子4采用扇形结构，将分块后的第一永磁体2与第二永磁体3恰好覆盖，既节省硅钢片的用量又保证永磁体不脱离转子；第二永磁体3与第一永磁体2之间存在夹角，第一永磁体2、第二永磁体3的偏心距均为4mm，如3图所示，齿槽转矩随着偏心距的改变而改变，当偏心距在4mm时，齿槽转矩最小，效果最佳，达到减小齿槽转矩的目的；不等厚永磁体的目的会导致气隙磁密分布发生变化，分块且彼此分开一定角度，利用改变永磁体间的角度来对齿槽转矩进行优化第一永磁体2的厚度由中间向两端逐渐减小，第二永磁体3的厚度由靠近第一永磁体2的一端向另一端逐渐减小，本实施例表贴式永磁同步电机的极弧系数为0.7，第一永磁体2相对于转子轴7圆心所跨的角度为10°，第二永磁体3相对于转子轴7圆心所跨的角度为43°。
定子槽1漏磁会造成电机效率和输出功率减小，齿槽转矩会随着定子槽1开槽宽度的减少而减少，故本实施例定子槽1的槽口采用封闭式，定子槽1的槽型为矩形；扇形转子4的材料为硅钢片。
当转子4、定子5相对运动时，电枢齿与永磁体之间的磁导基本没有变化，因此电枢齿周围的磁场也基本保持不变，而相邻两个第一永磁体2之间的电枢齿区域的磁导变化，从而会引起电机磁场储存能量W的变化，产生齿槽转矩Tcog(α)，具体的公式为：
其中α为定子齿的中心线和永磁体中心线之间的夹角；
不考虑磁场饱和的情况，电机磁场储存能量W可以近似看成电枢齿与永磁体之间气隙g中的能量，电机磁场储存能量W可表示为：
其中Wairgap+PM为电枢齿与永磁体之间气隙中的能量，μ0为空气的磁导率，B为磁感应强度，V为电枢齿与永磁体之间气隙体积；
电枢齿与永磁体之间气隙磁密沿永磁同步电机电枢表面分布可近似表示为：
其中θ为永磁体沿圆周方向运动时与转子轴之间的夹角，hm(θ)为永磁体磁极厚度，Br(θ)为永磁体剩磁，δ(θ,α)永磁体有效气隙长度沿圆周方向的分布系数；
将式(3)带入式(2)，得到电机磁场储存能量：
第一永磁体2和第二永磁体3之间的间隔宽度为γ，第一永磁体2和第二永磁体3产生的齿槽转矩叠加起来为这一极永磁体产生的齿槽转矩，即为：
其中Tnp为单个永磁体对应的齿槽转矩的傅里叶系数，n为永磁体总个数，Np为永磁体极数2p(本实施例为4极)、槽数z与极数2p最大公约数的比值，即GCD为最大公约数，Q为定子槽1的个数；
一极永磁体分成k(本实施例为3)个分块时，一个磁极对应的总齿槽转矩为：
其中i＝1、2、3，θp为相邻两块永磁体中心线相对于转子轴的偏移角度；
当选取合适的θp使sinnNpQ[α+(i-1)θp]的值为0，即可消除电枢齿与永磁体之间气隙g的第n次谐波，即降低电机的齿槽转矩。
不等厚的永磁体磁极的内径与外径不同心，磁极内沿所在圆弧圆心则与定子内径圆心重合，而磁极外沿所在圆弧的圆心与定子内径圆心不重合，如图4所示，永磁体内外极弧存在一个偏心距，当磁极厚度均匀时，磁极厚度为hm，气隙长度为δ(θ)；当磁极厚度不均匀时，磁极厚度hm'和气隙长度δ'(θ)随θp变化，产生的偏心距h也发生变化，使得电枢齿与永磁体之间气隙径向磁密的分布不同；
磁极厚度均匀时，电枢齿与永磁体之间气隙径向磁密为：
磁极厚度不均匀时，电枢齿与永磁体之间气隙径向磁密为：
其中
当采用不等厚的磁极后，减小(次气隙磁密的傅里叶分解系数)，即电枢齿与永磁体之间气隙径向磁密变小，削弱了电机的齿槽转矩，达到优化的目的。本发明改进后的表贴式永磁同步电机齿槽转矩的变化如图5所示，由原来的631.4141mNm下降到353.6242mNm。
本发明新型表贴式永磁同步电机的工作过程：
当电机启动时，第二永磁体3的中心线与定子齿的中心线重合，此时定子齿左右两侧的磁感应强度B1、B2(第一永磁体2、第二永磁体3产生)在定子齿的两侧产生的引力F1、F2相互抵消，如图6(a)所示；转子4逆时针旋转，电枢齿产生齿槽转矩使电机回到图6(a)位置，第二永磁体3的中心线落后于定子齿中心线，此时定子齿的左半部分的磁感应强度低于右半部分的磁感应强度，引力F1、F2合力不为零，合力方向与转子4旋转的方向相反，如图6(b)所示；转子4继续逆时针旋转，第二永磁体3中心线落后于定子齿中心线的距离变大，与该定子齿相邻的右侧定子齿左半部分的磁感应强度增大，当定子齿左半部分越过第二永磁体3向第一永磁体2旋转时，定子齿左半部分的一部分和两个永磁体之间的气隙相对，定子齿的右半部分磁感应强度变大，定子齿逐渐向其左侧第一永磁体2中心线靠拢，齿槽转矩慢慢变小，如图6(c)所示；转子4继续逆时针旋转，第二永磁体3中心线落后于定子齿中心线的距离继续变大，当第二永磁体3中心线与定子槽1中心线重合时，引力F1、F2合力为零，如图6(d)所示；转子4逆时针旋转旋转成周期变化，转子4顺时针旋转的过程同逆时针旋转。
以上对本发明所提供的一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机做了详细的介绍，本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述具体实施仅仅是示意性，而不是限制性，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做很多的形式，这些都属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机，包括转子(4)和定子(5)，其特征在于，所述定子(5)开有定子槽(1)，所述定子槽(1)上绕 有电枢绕组(6)；所述转子(4)的结构为：转子轴(7)上焊接有四个均匀分布的扇形转子(4)，所述扇形转子(4)外周两端表贴等大的第一永磁体(2)、中间表贴第二永磁体(3)；所述第二永磁体(3)与第一永磁体(2)之间存在夹角，所述第一永磁体(2)的厚度由中间向两端逐渐减小，所述第二永磁体(3)的厚度由靠近第一永磁体(2)的一端向另一端逐渐减小。
2.如权利要求1所述的一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机，其特征在于，所述定子槽(1)的槽口采用封闭式。
3.如权利要求1所述的一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机，其特征在于，所述定子槽(1)的槽型为矩形。
4.如权利要求1所述的一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机，其特征在于，所述电枢绕组(6)为矩形绕组。
5.如权利要求1所述的一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机，其特征在于，所述扇形转子(4)的材料为硅钢片。
6.如权利要求1所述的一种减小齿槽转矩的新型表贴式永磁同步电机，其特征在于，所述第一永磁体(2)、第二永磁体(3)的偏心距均为4mm。
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