CN108649767A - 一种永磁电机及其模型的构建方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种永磁电机及其模型的构建方法，其中永磁电机包括：定子；定子的轴心为第一轴心；定子包括多个定子齿，每一定子齿的两个极靴之间的定子齿齿端为圆弧形凹口，圆弧形凹口的轴心为第二轴心；第一轴心和第二轴心相隔预置距离，其中，预置距离根据第一预置公式组计算得到。本申请通过改进定子齿的两极靴之间的定子齿结构，使得气隙长度沿定子齿齿端的圆周分布方向由小变大，再由大变小，气隙磁场波形保持较好的正弦性，降低气隙磁场波形的谐波畸变率，从而对转矩波动起到削弱作用，解决了传统对于永磁电机转矩波动的抑制大都是优化电机的工作参数，但缺乏对电机本体结构进行改进的技术问题。

Description

一种永磁电机及其模型的构建方法
技术领域
本申请涉及永磁电机技术领域，尤其涉及一种永磁电机及其模型的构建方法。
背景技术
相对直流电动机和异步电动机，永磁同步电动机因结构简单、效率密度高、功率密度大，损耗小和耐用性好的特点得到了大规模应用。
当永磁电机用作伺服电机时，转矩波动是衡量其性能的关键因素。转矩波动越小，电机的精度越高。但是永磁同步电机由于本身的磁路特点，其气隙磁密波形并非正弦分布，而带有一定量的谐波，从而使得反电动势的波形也非正弦分布，这无疑使得电机在工作时，存在较大的转矩波动。因此为了降低转矩波动，降低气隙磁密波形的谐波畸变率具有十分重要的意义。
传统对于永磁电机转矩波动的抑制大都是优化电机的工作参数，但缺乏对电机本体结构的改进。
申请内容
本申请提供了一种永磁电机及其模型的构建方法，通过对永磁电机的结构进行改进，解决了传统对于永磁电机转矩波动的抑制大都是优化电机的工作参数，但缺乏对电机本体结构进行改进的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种永磁电机，包括：定子；
所述定子的轴心为第一轴心；
所述定子包括多个定子齿，每一所述定子齿的两个极靴之间的定子齿齿端为圆弧形凹口，所述圆弧形凹口的轴心为第二轴心；
所述第一轴心和所述第二轴心相隔预置距离，其中，所述预置距离根据第一预置公式组计算得到。
优选地，还包括：转子；
所述转子与所述定子共轴心设置。
优选地，还包括：铜绕组，所述铜绕组位于两个相邻的所述定子齿之间的定子槽中。
优选地，所述第一预置公式组为：
其中，R为一个所述极靴和所述第一轴心之间的距离，H为所述预置距离，L为一个所述极靴和所述第二轴心之间的距离，X为所述定子齿齿端的内凹长度，θ为一个所述极靴对应的机械角度。
本申请第二方面提供了一种永磁电机模型的构建方法，应用于上述任意一种所述的永磁电机的模型构建，包括：
S1、根据所述永磁电机的结构参数，在ANSYS-Maxwell中创建所述永磁电机的电机模型，其中，所述结构参数包括所述定子齿的数量、所述预置距离及所述定子的尺寸大小。
优选地，还包括：
S21、基于所述电机模型，利用径向气隙磁密公式计算所述电机模型的径向气隙磁密基波及径向气隙磁密各次谐波，并对所述径向气隙磁密各次谐波进行预处理得到第一谐波；
S22、基于所述气隙磁密基波和所述第一谐波利用第二预置公式计算所述径向气隙磁密的谐波畸变率；
其中，所述第二预置公式为：
式中，N为预处理后的第一谐波的最高次数，G1为所述气隙磁密基波的基波幅值，Gn为所述第一谐波的谐波幅值。
优选地，还包括：
S31、基于所述电机模型，利用时间分析报告计算所述电机模型的反电动势基波及反电动势各次谐波，并对所述反电动势各次谐波进行预处理得到第二谐波；
S32、基于所述反电动势基波和所述第二谐波利用第二预置公式计算所述反电动势的谐波畸变率；
其中，所述第二预置公式为：
式中，N为预处理后的第二谐波的最高次数，G1为所述反电动势基波的基波幅值，Gn为所述第二谐波的谐波幅值。
优选地，还包括：
S4、基于所述电机模型，利用第三预置公式计算所述电机模型的转矩波动系数，所述第三预置公式为：
其中，Tmax为最大转矩，Tmin为最小转矩。
优选地，所述第一谐波包括：幅值大于0.005T的所述径向气隙磁密各次谐波。
优选地，所述第二谐波包括：幅值大于0.5T的所述反电动势各次谐波。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请提供了一种永磁电机，包括：定子；定子的轴心为第一轴心；定子包括多个定子齿，每一定子齿的两个极靴之间的定子齿齿端为圆弧形凹口，圆弧形凹口的轴心为第二轴心；第一轴心和第二轴心相隔预置距离，其中，预置距离根据第一预置公式组计算得到。本申请通过改进定子齿的两极靴之间的定子齿结构，使得气隙长度沿定子齿齿端的圆周分布方向由小变大，再由大变小，气隙磁场波形保持较好的正弦性，降低气隙磁场波形的谐波畸变率，从而对转矩波动起到削弱作用，解决了传统对于永磁电机转矩波动的抑制大都是优化电机的工作参数，但缺乏对电机本体结构进行改进的技术问题。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种永磁电机的部分切面图；
图2为本申请实施例提供的预置距离的计算原理图；
图3为本申请实施例提供的一种永磁电机模型的构建方法的一个实施例的流程示意图；
图4为本申请实施例提供的一种永磁电机模型的构建方法的另一个实施例的流程示意图；
图5为本申请实验对比例提供的第一电机模型和第二电机模型的气隙磁密波形图；
图6为本申请实验对比例提供的第一电机模型和第二电机模型的反电动势的波形图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种永磁电机及其模型的构建方法，通过对永磁电机的结构进行改进，解决了传统对于永磁电机转矩波动的抑制大都是优化电机的工作参数，但缺乏对电机本体结构进行改进的技术问题。
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请提供了一种永磁电机的实施例一，具体请参阅图1，包括：定子1；定子1的轴心为第一轴心；定子1包括多个定子齿11，每一定子齿11的两个极靴111之间的定子齿11的齿端为圆弧形凹口，圆弧形凹口的轴心为第二轴心；第一轴心和第二轴心相隔预置距离，其中，预置距离根据第一预置公式组计算得到。
本实施例中，通过改进定子齿11的两极靴111之间的定子齿结构，使得气隙长度沿定子齿齿端的圆周分布方向由小变大，再由大变小，气隙磁场波形保持较好的正弦性，降低气隙磁场波形的谐波畸变率，从而对转矩波动起到削弱作用，解决了传统对于永磁电机转矩波动的抑制大都是优化电机的工作参数，但缺乏对电机本体结构进行改进的技术问题。
本申请提供了一种永磁电机的实施例二，具体请参阅图1，包括：定子1；定子1的轴心为第一轴心；定子1包括多个定子齿11，每一定子齿11的两个极靴111之间的定子齿11的齿端为圆弧形凹口，圆弧形凹口的轴心为第二轴心；第一轴心和第二轴心相隔预置距离，其中，预置距离根据第一预置公式组计算得到。
进一步地，还包括：转子2；
转子2与定子1共轴心设置。
进一步地，还包括：铜绕组3，铜绕组3位于两个相邻的定子齿11之间的定子槽12中。
本实施例中，通过改进定子齿11的两极靴111之间的定子齿结构，使得气隙长度沿定子齿齿端的圆周分布方向由小变大，再由大变小，气隙磁场波形保持较好的正弦性，降低气隙磁场波形的谐波畸变率，从而对转矩波动起到削弱作用，解决了传统对于永磁电机转矩波动的抑制大都是优化电机的工作参数，但缺乏对电机本体结构进行改进的技术问题。
本申请提供了一种永磁电机的实施例三，实施例三在实施例一或二的基础上，就预置距离的计算进行详细说明，具体请参阅图2。
本实施例中，第一预置公式组为：
如图2所示，O为第一轴心，O’为第二轴心，R为一个极靴111和第一轴心之间的距离，H为预置距离，L为一个极靴111和第二轴心之间的距离，X为定子齿齿端的内凹长度，θ为一个极靴对应的机械角度，σ为气隙长度。
以上为本发明提供的一种永磁电机的实施例，以下为一种永磁电机模型的构建方法的实施例一，具体请参阅图3，其中，该方法应用于上述任意一种永磁电机的模型构建，包括：
步骤301、根据永磁电机的结构参数，在ANSYS-Maxwell中创建永磁电机的电机模型，其中，结构参数包括定子齿的数量、预置距离及定子的尺寸大小。
需要说明的是，根据永磁电机的结构参数，可在ANSYS-Maxwell中创建永磁电机的电机模型，在生成模型的同时，可以得到永磁电机的工作参数及电机模型的边界条件等。
进一步地，结构参数还包括：转子的大小、铜绕组的数量及定子槽的数量。
进一步地，定子的尺寸大小包括：定子内径和定子外径。
本实施例中，通过改进定子齿的两极靴之间的定子齿结构，使得气隙长度沿定子齿齿端的圆周分布方向由小变大，再由大变小，气隙磁场波形保持较好的正弦性，降低气隙磁场波形的谐波畸变率，从而对转矩波动起到削弱作用，解决了传统对于永磁电机转矩波动的抑制大都是优化电机的工作参数，但缺乏对电机本体结构进行改进的技术问题。
以上为本发明提供的一种永磁电机模型的构建方法的实施例一，以下为一种永磁电机模型的构建方法的实施例二，请参阅图4，其中，该方法应用于上述任意一种永磁电机的模型构建，包括：
步骤401、根据永磁电机的结构参数，在ANSYS-Maxwell中创建永磁电机的电机模型，其中，结构参数包括定子齿的数量、预置距离及定子的尺寸大小。
需要说明的是，根据永磁电机的结构参数，可在ANSYS-Maxwell中创建永磁电机的电机模型，在生成模型的同时，可以得到永磁电机的工作参数及电机模型的边界条件等。
进一步地，结构参数还包括：转子的大小、铜绕组的数量及定子槽的数量。
进一步地，定子的尺寸大小包括：定子内径和定子外径。
步骤402、基于电机模型，利用径向气隙磁密公式计算电机模型的径向气隙磁密基波及径向气隙磁密各次谐波，并对径向气隙磁密各次谐波进行预处理得到第一谐波。
需要说明的是，对电机模型加载径向气隙磁密公式可以得到径向气隙磁密基波及径向气隙磁密各次谐波。
进一步地，第一谐波包括：幅值大于0.005T的径向气隙磁密各次谐波。
步骤403、基于径向气隙磁密基波和第一谐波利用第二预置公式计算径向气隙磁密的谐波畸变率；
其中，第二预置公式为：
式中，N为预处理后的第一谐波的最高次数，G1为气隙磁密基波的基波幅值，Gn为第一谐波的谐波幅值。
步骤404、基于电机模型，利用时间分析报告计算电机模型的反电动势基波及反电动势各次谐波，并对反电动势各次谐波进行预处理得到第二谐波。
需要说明的是，对电机模型创建时间分析报告可得到反电动势波形图，此时可以得到反电动势基波及反电动势各次谐波。
进一步地，第二谐波包括：幅值大于0.5T的反电动势各次谐波。
步骤405、基于反电动势基波和第二谐波利用第二预置公式计算反电动势的谐波畸变率；
其中，第二预置公式为：
式中，N为预处理后的第二谐波的最高次数，G1为反电动势基波的基波幅值，Gn为第二谐波的谐波幅值。
步骤406、基于电机模型，利用第三预置公式计算电机模型的转矩波动系数，第三预置公式为：
其中，Tmax为最大转矩，Tmin为最小转矩。
需要说明的是，对电机模型进行波形仿真可得到转矩波形图，此时利用转矩波形图及第三预置公式可计算出电机模型的转矩波动系数。
以上为本发明提供的一种永磁电机模型的构建方法的实施例二，以下为一种永磁电机模型的构建方法的实验对比例的详细描述，具体请参阅图5至图6。
步骤零、选择进行试验的永磁电机，其中选择的永磁电机的结构参数为：定子齿的数量为48个，定子槽的数量为48个，定子外径为230mm，定子内径为149mm，为了说明实验结果，对选择的电机分别设计预置距离为0mm和70mm进行实验，为了描述的更清楚，我们认为0mm对应的永磁电机为第一电机，70mm对应的永磁电机为第二电机。
步骤一、根据永磁电机的结构参数，分别在ANSYS-Maxwell中分别创建第一电机对应的第一电机模型和第二电机对应的第二电机模型。
步骤二、基于第一电机模型和第二电机模型，利用径向气隙磁密公式分别计算第一电机模型和第二电机模型的径向气隙磁密基波及径向气隙磁密各次谐波，波形图如图5所示。
步骤三、分别对第一电机模型和第二电机模型的径向气隙磁密各次谐波进行预处理得到第一谐波，然后基于气隙磁密基波和第一谐波利用第二预置公式分别计算第一电机模型和第二电机模型的径向气隙磁密的谐波畸变率，计算结果如表1所示。
步骤四、基于第一电机模型和第二电机模型，利用时间分析报告分别计算第一电机模型和第二电机模型的反电动势基波及反电动势各次谐波，波形图如图6所示。
步骤五、分别对第一电机模型和第二电机模型的反电动势各次谐波进行预处理得到第二谐波，然后基于反电动势基波和第二谐波利用第二预置公式分别计算第一电机模型和第二电机模型的反电动势的谐波畸变率，计算结果如表1所示。
步骤六、基于第一电机模型和第二电机模型，利用第三预置公式计算第一电机模型和第二电机模型的转矩波动系数，计算结果如表1所示。
表1
电机类型 气隙磁密谐波畸变率 反电动势谐波畸变率 转矩波动系数
第一电机模型 28.65％ 17.20％ 8.81％
第二电机模型 24.12％ 15.07％ 5.68％
由表1所示，第二电机模型的气隙磁密基波的谐波畸变率为24.12％，较第一电机模型的气隙磁密基波的谐波畸变率28.65％，有明显下降，说明第二电机模型的气隙磁密的波形更趋近于正弦波，气隙磁密波形得到明显改善。同理，第二电机模型的反电动势波形也更加趋近正弦波，转矩波动系数也明显减小。由此可见，改变永磁电机定子结构，使得气隙长度沿圆周分布方向由小变大，再由大变小，气隙磁场波形保持较好的正弦性，降低气隙磁场波形的谐波畸变率，从而对转矩波动起到削弱作用。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种永磁电机，其特征在于，包括：定子；
所述定子的轴心为第一轴心；
所述定子包括多个定子齿，每一所述定子齿的两个极靴之间的定子齿齿端为圆弧形凹口，所述圆弧形凹口的轴心为第二轴心；
所述第一轴心和所述第二轴心相隔预置距离，其中，所述预置距离根据第一预置公式组计算得到。
2.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，还包括：转子；
所述转子与所述定子共轴心设置。
3.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，还包括：铜绕组，所述铜绕组位于两个相邻的所述定子齿之间的定子槽中。
4.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述第一预置公式组为：
其中，R为一个所述极靴和所述第一轴心之间的距离，H为所述预置距离，L为一个所述极靴和所述第二轴心之间的距离，X为所述定子齿齿端的内凹长度，θ为一个所述极靴对应的机械角度。
5.一种永磁电机模型的构建方法，应用于如权利要求1至4中任意一项所述的永磁电机的模型构建，其特征在于，包括：
S1、根据所述永磁电机的结构参数，在ANSYS-Maxwell中创建所述永磁电机的电机模型，其中，所述结构参数包括所述定子齿的数量、所述预置距离及所述定子的尺寸大小。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
S21、基于所述电机模型，利用径向气隙磁密公式计算所述电机模型的径向气隙磁密基波及径向气隙磁密各次谐波，并对所述径向气隙磁密各次谐波进行预处理得到第一谐波；
S22、基于所述径向气隙磁密基波和所述第一谐波利用第二预置公式计算所述径向气隙磁密的谐波畸变率；
其中，所述第二预置公式为：
式中，N为预处理后的第一谐波的最高次数，G1为所述气隙磁密基波的基波幅值，Gn为所述第一谐波的谐波幅值。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
S31、基于所述电机模型，利用时间分析报告计算所述电机模型的反电动势基波及反电动势各次谐波，并对所述反电动势各次谐波进行预处理得到第二谐波；
S32、基于所述反电动势基波和所述第二谐波利用第二预置公式计算所述反电动势的谐波畸变率；
其中，所述第二预置公式为：
式中，N为预处理后的第二谐波的最高次数，G1为所述反电动势基波的基波幅值，Gn为所述第二谐波的谐波幅值。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
S4、基于所述电机模型，利用第三预置公式计算所述电机模型的转矩波动系数，所述第三预置公式为：
其中，Tmax为最大转矩，Tmin为最小转矩。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一谐波包括：幅值大于0.005T的所述径向气隙磁密各次谐波。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二谐波包括：幅值大于0.5T的所述反电动势各次谐波。
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