CN108599474A - 抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法，确定所设计的分数槽永磁同步电机是否存在固有轴电压；对固有轴电压进行解析，确定轴电压的主要谐波成分，以及轴电压基波与永磁体磁动势谐波之间的关系，确定出影响轴电压基波幅值的永磁体磁动势谐波成分；对永磁体磁动势进行傅里叶级数展开，计算出使所述永磁体磁动势成分抑制为零的解析最优极弧系数；建立所述的分数槽永磁同步电机的二维电磁仿真模型，根据解析的最优极弧系数设置仿真模型的永磁体极弧系数的初始值，设置极弧系数寻优区域，对最优极弧系数进行优化，直到满足优化条件。

Description

抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法
技术领域
本发明涉及一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法。
背景技术
随着分数槽永磁同步电机在电动汽车、家用电器、风力发电机等领域的应用越来越广泛，对于降低电机噪声，提高电机运行的稳定性和保证电机部件可靠性等方面有了更高的要求。
某些极槽配合的分数槽永磁同步电机中，即使不存在转子偏心、定子扇形叠片匹配不当，绕组匝间短路等故障，电机内部也会由于分数槽永磁同步电机的电磁结构形成不平衡磁场，进而感应出环绕转轴的净磁通，在电机旋转时该磁通会在转轴上感应出交变的固有轴电压。一旦轴电压超过某一阈值，会击穿轴承的润滑脂油膜，形成轴电流，腐蚀轴承部件并老化润滑脂，缩减轴承的机械寿命，引起额外的机械噪声，威胁电机安全稳定运行，增加故障率和维护成本。
目前对于轴电压的抑制和削弱，通常采用电刷接地和绝缘陶瓷和混合绝缘轴承元件两种方法，电刷接地法增加了电机的外部元件，而且电刷属于易磨损期间，要经常更换，会增加停工时间，降低工作效率；利用绝缘陶瓷和混合绝缘轴承元件的方法，虽然可以抑制轴电流的形成，但是会降低电机的机械强度，适用范围受到很大限制。
目前，针对轴电压抑制方面，分数槽永磁同步电机极弧系数的选择尚无方法可遵循。
发明内容
本发明为了避免上述现有技术存在的不足之处，提出了一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法，通过改变极弧系数，调整永磁体磁动势谐波成分，进而有效降低分数槽永磁同步电机固有轴电压，避免轴承电腐蚀，有利于该类电机的稳定工作，并降低后期故障率与维修成本。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法，包括以下步骤：
确定所设计的分数槽永磁同步电机是否存在固有轴电压；
对固有轴电压进行解析，确定固有轴电压的主要谐波成分，以及固有轴电压基波与永磁体磁动势谐波之间的关系，确定出影响固有轴电压基波幅值的永磁体磁动势谐波成分；
对永磁体磁动势进行傅里叶级数展开，计算可将所述的影响固有轴电压基波幅值的永磁体磁动势谐波成分抑制为零的解析最优极弧系数；
建立所述的分数槽永磁同步电机的二维电磁仿真模型，根据解析的最优极弧系数设置仿真模型的永磁体极弧系数的初始值，设置极弧系数寻优区域，对极弧系数进行优化，直到满足优化条件，确定最优极弧系数。
进一步的，确定分数槽永磁同步电机是否存在固有轴电压的方法为：判断定子槽数与永磁体极对数之间比值的最简分式的分子是否为奇数，若为奇数，则所选择的分数槽永磁同步电机存在固有轴电压，且固有轴电压的基波频率为该最简分式分子倍的同步频率。
进一步的，如果极弧系数满足永磁体磁动势谐波各次分量，则第2n-1次永磁体磁动势谐波幅值为零，同时固有轴电压基波幅值达到最小值，此时的极弧系数为解析最优极弧系数。
进一步的，极弧系数的寻优区域设置为(0.6,1)。
进一步的，使用二分法对于最优极弧系数进行优化。
进一步的，优化条件的目标函数为固有轴电压基波幅值小于设定值。
优选的，电机同步频率，为分数槽永磁同步电机供电频率f，其与转速满足关系n＝60f/p的关系。
优选的，所述的固有轴电压解析表达式为定性分析轴电压与永磁体极数、定子槽数之间的关系，并非要求出具体的精确数值。
优选的，固有轴电压抑制方法为针对由于分数槽永磁同步电机齿槽效应而引起的固有轴电压，不考虑转子偏心、绕组匝间短路、定子扇形叠片接缝不对称问题引起的轴电压。
优选的，利用解析分析初步计算解析最优极弧系数并结合有限元进行校正得到最优极弧系数。
本发明的工作原理为：
分数槽永磁同步电机的固有轴电压与永磁体磁动势和定子齿槽效应有关，永磁体极数和定子槽数的匹配决定了电机固有轴电压的有无以及谐波成分。根据固有轴电压的解析表达式，其基波成分的幅值与相同频率的永磁体磁动势谐波的幅值有关，而永磁体磁动势的各次谐波分布又受永磁体极弧系数的影响。为了尽可能削弱固有轴电压，需要合理选择永磁体极弧系数，使与固有轴电压基波频率相同的永磁体磁动势谐波为零。综合的解析分析和有限元分析优点，利用解析分析初步计算解析最优极弧系数并结合有限元进行校正得到最优极弧系数。
本发明的有益效果为：
在分数槽永磁同步电机设计阶段，可以为永磁体极弧系数的选择提供依据，利用解析分析和有限元分析结合的方法，在保证精确度的前提下可以节省计算时间进行，节约设计成本。使得电机固有轴电压较小，减小轴承电腐蚀，节约电机维护成本，有利于电机的稳定运行；
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为不同极弧系数时6极9槽永磁同步电机固有轴电压基波幅值；
图2为不同极弧系数时6极9槽永磁同步电机固有轴电压波形；
图3为削弱分数槽永磁同步电机固有轴电压极弧系数选择方法流程图；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术中所述的，如果轴电压超过某一阈值，会击穿轴承的润滑脂油膜，形成轴电流，腐蚀轴承部件并老化润滑脂，缩减轴承的机械寿命，引起额外的机械噪声，威胁电机安全稳定运行，增加故障率和维护成本。
目前对于轴电压的抑制，多采用电刷接地和绝缘陶瓷和混合绝缘轴承元件两种方法，电刷接地法增加了电机的外部元件，而且电刷属于易磨损期间，要经常更换，会增加停工时间，降低工作效率；利用绝缘陶瓷和混合绝缘轴承元件的方法，虽然可以抑制轴电流的形成，但是会降低电机的机械强度，适用范围受到很大限制；为了解决上述问题，避免采用外部接地设备并考虑制造成本，从电机设计的角度，本发明提供了一种分数槽永磁同步电机的永磁体极弧系数选择方法，如图3所示，具体包括：
(1)确定所设计的分数槽永磁同步电机是否存在固有轴电压；
(2)根据固有轴电压解析表达式，确定固有轴电压的主要谐波成分，以及其与永磁体磁动势各次谐波之间的关系，寻找出影响固有轴电压基波的永磁体磁动势成分；
(3)根据永磁体磁动势的傅里叶级数展开式，确定出可以使上述的永磁体磁动势成分抑制为零的解析最优极弧系数取值。
(4)利用有限元分析软件，建立所述的分数槽永磁同步电机的二维电磁仿真模型；
(5)根据所述的解析最优极弧系数设置永磁体极弧系数的初始值，由于解析表达式忽略铁心饱和等因素对于气隙磁通的影响，所以所得的解析最优极弧系数并不一定能使得固有轴电压基波幅值为零。
(6)考虑到极弧系数对于分数槽永磁同步电机其他性能的影响，将极弧系数的寻优区域设置为(0.6，1)，使用二分法对于最优极弧系数进行优化，目标函数为固有轴电压基波幅值小于1mV，(在其他实施例中可以替换为其他值)，所得的即为可抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的最优极弧系数。
步骤1中，确定分数槽永磁同步电机是否存在固有轴电压的方法为：判断定子槽数与永磁体极对数之间比值的最简分式的分子是否为奇数，若为奇数，则所选择的分数槽永磁同步电机存在固有轴电压，且固有轴电压的基波频率为该最简分式分子倍的同步频率。
步骤2中，固有轴电压解析表达式为：
式中Ns为定子槽数，p为永磁体极对数，λk为气隙磁导的k次谐波分量，k＝1,2,3…，F2n-1为永磁体磁动势的(2n-1)次谐波分量，n＝1,2,3…。在公式(1)中，k和n为满足公式kNs＝(2n-1)p的正整数。ωr为转子机械角速度。SL为环绕转轴磁通穿过的单位面积。所述的永磁体磁动势谐波各次分量表达式为：
式中θr为转子沿圆周方向位置，hm(θr)为永磁体充磁方向厚度函数；αp为极弧系数。
步骤3包括，从公式(2)可以得出，如果极弧系数满足式(3)时，第2n-1次永磁体磁动势谐波幅值为零，同时固有轴电压基波幅值将达到最小值。
利用式(3)，即可求出所述的解析最优极弧系数如公式(4)所示，此极弧系数对应最小固有轴电压基波幅值。
αpy＝m/(2n-1)时，m＝1,2,3…(2n-1)(4)
将所述的按照步骤5进行验证并修正，并按照步骤6进行修正，
从上式可以得知，对于不同极槽配合下的分数槽永磁同步电机，按照公式(3)(4)得到的极弧系数，并经过有限元分析法加以修正，可以有效的抑制由于电磁结构引起的固有轴电压。
作为优选，所述的电机同步频率，为分数槽永磁同步电机供电频率f，其与转速满足关系n＝60f/p的关系。
作为优选，所述的固有轴电压解析表达式为定性分析轴电压与永磁体极数、定子槽数之间的关系，并非要求出具体的精确数值。
作为优选，固有轴电压抑制方法为针对由于分数槽永磁同步电机齿槽效应而引起的固有轴电压，不考虑转子偏心、绕组匝间短路、定子扇形叠片接缝不对称等问题引起的轴电压。
作为优选，有限元分析软件选择Ansoft Maxwell。
以6极9槽内转子表贴式永磁同步电机模型为实施例，该电机定子槽数Ns与永磁体极数p比值最简分式的分子为3是一个奇数，所以该电机存在固有轴电压。此时公式(1)表示为公式5，作为优选，可以确定固有轴电压的谐波为3k倍的同步频率，其中固有轴电压基波为3倍的同步频率，所占比例最高，所述的固有轴电压基波对应的3次永磁体磁动势谐波。
Vshaft＝∑3kωeλkF3xSLsin(3kωet) (5)
所以，按公式(3)，(4)计算可以使得3次永磁体磁动势谐波为零的极弧系数，即所述的解析最优极弧系数。按照步骤2,3计算的到的解析最优极弧系数为2/3。按照步骤4，对6极9槽永磁同步电机建立二维有限元分析模型，计算按解析最优极弧系数设计永磁体时的固有轴电压，并以解析最优极弧系数为初始值，选择极弧系数以(0.6,1)为区间，利用二分法对于最优极弧系数进行矫正，目标函数为固有轴电压基波幅值小于1mV，当满足条件时，导出最优极弧系数。
如图1所示，极弧系数在(0.6,1)区间内，αp＝1时，固有轴电压基波存在最大值，αp＝0.63时，固有轴电压基波小于1mV时对轴承影响可忽略不计，此时可以近似为零。有限元分析法矫正之后的最优极弧系数为αp＝0.63，而αp＝0.67为所述的解析最优极弧系数，依照解析最优极弧系数进行电机设计时虽然不能将固有轴电压削弱为零，但已经从一定程度上抑制固有轴电压，而且解析最优极弧系数与最优极弧系数误差较小，以此值为初始值迭代计算最优值，在保证精确度的前提下可以节省计算时间。
图1不同极弧系数时6极9槽永磁同步电机固有轴电压基波幅值，图2不同极弧系数时6极9槽永磁同步电机固有轴电压波形，对比其固有轴电压波形，可以看出随着极弧系数的变化，固有轴电压谐波组成的比例也在变化，当0.67时，固有轴电压基波为零，只剩下固有轴电压的三次谐波，而该三次谐波幅值较小对轴承和电机运行不造成威胁。
本发明的实现原理为：
分数槽永磁同步电机的固有轴电压与永磁体磁动势和定子齿槽效应有关，永磁体极数和定子槽数的匹配决定了电机固有轴电压的有无以及谐波成分。根据固有轴电压的解析表达式，其基波成分的幅值与相同频率的永磁体磁动势谐波的幅值有关，而永磁体磁动势的各次谐波分布又受永磁体极弧系数的影响。为了尽可能削弱固有轴电压，需要合理选择永磁体极弧系数，使与固有轴电压基波频率相同的永磁体磁动势谐波为零。综合解析分析和有限元分析优缺点，利用解析分析初步计算解析最优极弧系数并结合有限元进行校正得到最优极弧系数，在保证精确度的前提下可以节省计算时间进行，节约设计成本。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法，其特征是：包括以下步骤：
确定所设计的分数槽永磁同步电机是否存在固有轴电压；
对固有轴电压进行解析，确定固有轴电压的主要谐波成分，以及固有轴电压基波与永磁体磁动势谐波之间的关系，确定出影响固有轴电压基波幅值的永磁体磁动势谐波成分；
对永磁体磁动势进行傅里叶级数展开，计算可将所述的影响固有轴电压基波幅值的永磁体磁动势谐波成分抑制为零的解析最优极弧系数；
建立所述的分数槽永磁同步电机的二维电磁仿真模型，根据解析的最优极弧系数设置仿真模型的永磁体极弧系数的初始值，设置极弧系数寻优区域，对极弧系数进行优化，直到满足优化条件，确定最优极弧系数。
2.如权利要求1所述的一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法，其特征是：确定分数槽永磁同步电机是否存在固有轴电压的方法为：判断定子槽数与永磁体极对数之间比值的最简分式的分子是否为奇数，若为奇数，则所选择的分数槽永磁同步电机存在固有轴电压。
3.如权利要求1所述的一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法，其特征是：如果极弧系数满足永磁体磁动势谐波各次分量，则第2n-1次永磁体磁动势谐波幅值为零，同时固有轴电压基波幅值达到最小值，此时的极弧系数为解析最优极弧系数。
4.如权利要求1所述的一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法，其特征是：极弧系数的寻优区域设置为(0.6,1)。
5.如权利要求1所述的一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法，其特征是：使用二分法对于最优极弧系数进行优化。
6.如权利要求1所述的一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法，其特征是：优化条件的目标函数为固有轴电压基波幅值小于设定值。
7.如权利要求1所述的一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法，其特征是：电机同步频率，为分数槽永磁同步电机供电频率f，其与转速满足关系n＝60f/p的关系。
8.如权利要求1所述的一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法，其特征是：所述的固有轴电压解析表达式为定性分析轴电压与永磁体极数、定子槽数之间的关系，并非要求出具体的精确数值。
9.如权利要求1所述的一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法，其特征是：固有轴电压抑制方法为针对由于分数槽永磁同步电机齿槽效应而引起的固有轴电压，不考虑转子偏心、绕组匝间短路、定子扇形叠片接缝不对称问题引起的轴电压。
10.如权利要求1所述的一种抑制分数槽永磁同步电机固有轴电压的极弧系数选择方法，其特征是：利用解析分析初步计算解析最优极弧系数并结合有限元进行校正得到最优极弧系数。
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