CN109149818A - 一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，包括定子、转子、永磁体、三相线圈绕组及电机轴，电机轴连接于转子的中心，定子是设有九个定子槽及九个定子齿，三相线圈绕组缠绕于各定子槽，转子侧部以转子轴心为中心均匀设置三个凹槽及三个凸极，三个凹槽与三个凸极相间设置，相邻凹槽与相邻凸极之间的间距均相等；凹槽连接永磁体，永磁体的中心厚度大于永磁体的边缘厚度，三个永磁体是正弦加三次谐波形连续极永磁体；永磁体边缘与凹槽边缘之间还设有辅助磁障。本发明采用凸极铁芯和正弦+3次谐波形连续极永磁体，经过模拟计算与分析，能够明显降低电机的脉动转矩，减小漏磁，提升了永磁体的利用率。

Description

一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机
技术领域
本发明涉及永磁电机技术领域，具体地涉及一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机。
背景技术
永磁电机具有高转矩密度、高效率、低转矩脉动、对功率器件容量要求较低和容错能力强等特点，并且随着先进电磁设计理论、数字控制技术和电力电子技术的快速发展，使其在对电机功率密度和容错能力要求较高的场合，特别是在航空、航天、航海等军事工业领域以及电动汽车等民用领域得到广泛应用。为了降低电机永磁体的用量，连续极永磁电机近年来得到了广泛的关注，但现有的连续极电机漏磁较大，气息磁场畸变严重，导致电机的转矩脉动大，性能较差。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，解决了现有技术中连续极电机漏磁较大，气息磁场畸变严重，导致电机的转矩脉动大，性能较差的技术问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，包括定子、转子、永磁体、三相线圈绕组及电机轴，所述电机轴连接于转子的中心，其特征在于：所述定子是设有九个定子槽及九个定子齿，所述定子槽与所述定子齿以定子的圆心为中心交替设置，所述三相线圈绕组缠绕于各定子齿，所述转子侧部以转子轴心为中心均匀设置三个凹槽及三个凸极，三个凹槽与三个凸极相间设置，相邻凹槽与相邻凸极之间的间距均相等；所述凹槽连接永磁体，永磁体的中心厚度大于永磁体的边缘厚度，三个永磁体是正弦加三次谐波形连续极永磁体；所述永磁体边缘与凹槽边缘之间还设有辅助磁障。
作为本发明的一种优化方案，前述的一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，永磁体的边缘与凹槽的边缘齐平。
作为本发明的一种优化方案，前述的一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，永磁体的最大厚度处轴对称分布在于永磁体的中心的两侧，永磁体的截面以中心轴对称。
作为本发明的一种优化方案，前述的一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，凸极的截面是以定子截面的圆心为圆心的圆弧。
作为本发明的一种优化方案，前述的一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，永磁体的三次谐波形是幅值是/基波幅值。
作为本发明的一种优化方案，前述的一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，辅助磁障是设置于永磁体边缘与凹槽边缘之间的间隙，所有永磁体边缘与凹槽边缘之间的间隙均相等。
作为本发明的一种优化方案，前述的一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，定子是铁芯定子。
本发明所达到的有益效果：
1. 本发明采用凸极铁芯和正弦+3次谐波形连续极永磁体，经过模拟计算与分析，本发明正弦+3次谐波削极连续极电机反电势中的2次谐波与传统连续极相比降低95.8%，5次谐波与传统连续极相比降低32.2%，反电势中2次谐波的削弱可以减小电机转矩中的3次脉动，5次谐波的减小可以削弱电机转矩中的6次脉动，提高电机电磁性能。
2. 与传统连续极电机相比，本发明正弦+3次谐波削极连续极电机的转矩脉动下降35.7%。由于传统连续极电机平均转矩最大时极弧系数较大，同时正弦+3次谐波形连续极电机永磁体进行了削极，正弦+3次谐波形连续极电机与传统连续极电机相比，永磁体用量减小了22.1%，永磁体利用率提高了15.2%。
综上：本发明能够明显降低电机的脉动转矩，减小漏磁，提升了永磁体的利用率。
附图说明
图1 是本发明截面示意图；
图2 是本发明图1的局部放大图；
图3 是本发明正弦形永磁体和注入的三次谐波波形示意图；
图4 是本发明正弦加三次谐波形永磁体截面示意图；
图5 是本发明优化后的凸极和辅助磁障截面示意图；
图6 是本发明谐波削极型连续极和传统连续极电机的相反电势对比图；
图7 是图6中相反电势的谐波含量图；
图8 是本发明谐波削极型连续极和传统连续极电机输出转矩对比图；
附图标记的含义：1-定子；2-转子；3-辅助磁障；4-永磁体；5-三相线圈绕组；6-电机轴；11-A相绕组；12-B相绕组；13-C相绕组。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1至图2所示：本实施例公开了一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，包括定子1、转子2、永磁体4、三相线圈绕组5及电机轴6，电机轴6连接于转子2的中心，定子1是设有九个定子槽及九个定子齿，定子槽与定子齿以定子1的圆心为中心交替设置，三相线圈绕组5缠绕于各定子齿，转子2侧部以转子2轴心为中心均匀设置三个凹槽及三个凸极21，三个凹槽与三个凸极21相间设置，相邻凹槽与相邻凸极21之间的间距均相等，并且凸极21截面是圆弧形，并且该圆弧的圆心与定子1截面的圆心重合。
本实施例的永磁体4的截面并非传统的规则扇形，而是中心厚度（图2中的C）大于永磁体4的边缘厚度（图2中的B），并且从边缘处到中心处是平滑过渡。永磁体（4）的最大厚度处轴对称分布在于永磁体（4）的中心的两侧，永磁体（4）的截面以中心轴对称。
三个永磁体4是正弦加三次谐波形连续极永磁体，所谓连续极是指三个永磁体与转子2连接面的极性相同，可以都是N极，也可以都是S极。
图1中的11、12、13分别表示其中绕有一组三相绕组中的A相绕组、B相绕组、C相绕组。图中圆圈中的×号表示电流从垂直纸面流入，圆圈中的•表示电流垂直直面流出。A相绕组电流流向为从齿左边流入齿右边流出；B相绕组电流流向为从齿左边流入齿右边流出；C相绕组电流流向为从齿左边流入齿右边流出。从图1可以看出，传统9槽6极定子共有三组与11、12、13相同的绕组，线圈绕法和电流流向也与该组绕组相同。电机削极凸极铁芯转子2外侧贴有正弦+3次谐波形连续极永磁体4，凸极铁芯以正弦+3次谐波形连续极永磁体4的边缘厚度为基准进行削极。
永磁体4边缘与凹槽边缘之间还优选设有辅助磁障3，由于空气基本不导磁，因此本实施例的辅助磁障3是设置于永磁体4边缘与凹槽边缘之间的间隙，并且所有永磁体4边缘与凹槽边缘之间的间隙均相等。辅助磁障3具有绝磁的功能，能够避免漏磁现象。
如图2所示：当永磁体4连接于凹槽时，永磁体4边缘的厚度B等于凹槽的深度A，即永磁体4的边缘与凹槽的边缘齐平。
本实施例的定子1优选铁芯定子。
结合图3与图4：本实施例的永磁体4的三次谐波形最优幅值是1/6基波幅值，图3中的正弦虚线表示注入至永磁体4中的三次谐波波形，正弦实线表示原波形。将图3中的正弦虚线与正弦实线合成之后即可得到图4形状的合成波形，图3与图4中的两条平行的虚线表示转子与定子之间的间隙，通过对比分析图3与图4可以看出：本实施例永磁体4的最大厚度（H）与传统瓦片形永磁体的最大厚度保持一致，凸极21与定子1之间的最小气隙也与传统瓦片形永磁体与定子1之间的最小间距（图3与图4中两条平行的虚线的间距）保持一致。
图5表示凸极和辅助磁障截面示意图；从图中可以看出，凸极21是以永磁体4边缘为基准的，并且凸极21的圆弧与定子1内侧圆弧同心；还可以看出，辅助磁障3处凹槽圆弧的圆心与定子1内侧圆弧同心。
经过模拟计算与分析，图6和图7分别给出了传统连续极和本实施例正弦+3次谐波削极连续极电机的A相空载反电势波形和反电势的谐波含量，从图7中可以看出，正弦+3次谐波削极连续极电机反电势中的2次谐波与传统连续极相比降低95.8%，5次谐波与传统连续极相比降低32.2%，反电势中2次谐波的削弱可以减小电机转矩中的3次脉动，5次谐波的减小可以削弱电机转矩中的6次脉动，提高电机电磁性能。
图8给出了传统连续极和正弦+3次谐波削极连续极电机的输出转矩随转子位置的变化波形，从图中可以看出传统连续极电机转矩脉动为48.0%，而本实施例的正弦+3次谐波削极连续极电机的转矩脉动为12.3%；与传统连续极电机相比，正弦+3次谐波削极连续极电机的转矩脉动下降35.7%。由于传统连续极电机平均转矩最大时极弧系数较大，同时正弦+3次谐波形连续极电机永磁体进行了削极，正弦+3次谐波形连续极电机与传统连续极电机相比，永磁体用量减小了22.1%，永磁体利用率提高了15.2%。
综上：本发明能够明显降低电机的脉动转矩，避免漏磁，提升了永磁体的利用率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，包括定子（1）、转子（2）、永磁体（4）、三相线圈绕组（5）及电机轴（6），所述电机轴（6）连接于转子（2）的中心，其特征在于：所述定子（1）是设有九个定子槽及九个定子齿，所述定子槽与所述定子齿以定子（1）的圆心为中心交替设置，所述三相线圈绕组（5）缠绕于各定子齿，所述转子（2）侧部以转子（2）轴心为中心均匀设置三个凹槽及三个凸极（21），三个凹槽与三个凸极（21）相间设置，相邻凹槽与相邻凸极（21）之间的间距均相等；
所述凹槽连接永磁体（4），永磁体（4）的中心厚度大于永磁体（4）的边缘厚度，三个永磁体（4）是正弦加三次谐波形连续极永磁体；
所述永磁体（4）边缘与凹槽边缘之间还设有辅助磁障（3）。
2.根据权利要求1所述的一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，其特征在于：所述永磁体（4）的边缘与凹槽的边缘齐平。
3.根据权利要求1或2所述的一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，其特征在于：永磁体（4）的最大厚度处轴对称分布在于永磁体（4）的中心的两侧，永磁体（4）的截面以中心轴对称。
4.根据权利要求1所述的一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，其特征在于：所述凸极（21）的截面是以定子（1）截面的圆心为圆心的圆弧。
5.根据权利要求1所述的一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，其特征在于：永磁体（4）的三次谐波形是幅值是1/6基波幅值。
6.根据权利要求1所述的一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，其特征在于：所述辅助磁障（3）是设置于永磁体（4）边缘与凹槽边缘之间的间隙，所有永磁体（4）边缘与凹槽边缘之间的间隙均相等。
7.根据权利要求1所述的一种低成本高性能谐波削极型连续极永磁同步电机，其特征在于：所述定子（1）是铁芯定子。
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