CN109728658A - 一种新型五相凸极同步磁阻电机及其转矩脉动的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型五相凸极同步磁阻电机及其转矩脉动的抑制方法。新型凸极磁阻电机包括外定子和内转子；所述外定子上放置分布式绕组；所示内转子包括导磁桥，多个凸极和定位孔。所述相邻凸极的极弧系数不同且每对极的凸极偏移角度不同。凸极磁阻电机转矩脉动抑制方法具体包括：相邻极选取不同极弧系数，选择重复单元并进行偏移和偏移角度的计算。这些不对称设计方法和磁极偏移方法有利于抑制转矩脉动且能运用于同步磁阻电机、永磁辅助同步磁阻电机和永磁电机。本发明利用公式快速计算出相邻凸极最优的极弧系数差和重复单元的间隔偏移角度，在减小设计周期的同时实现了最优的效果。

Description

一种新型五相凸极同步磁阻电机及其转矩脉动的抑制方法

技术领域

本发明涉及到同步磁阻电机的设计和其转矩脉动的抑制方法，属于电机制造的技术领域。

背景技术

同步磁阻电机(Synchronous reluctance machine,SynRM)因其结构简单、高温运行能力、高效率和性价比高等诸多优点成为电动汽车驱动电机领域的研究焦点。然而，随着技术的飞速发展，越来越多的应用领域对电机的工作稳定性方面提出了很高的要求，即电机的输出转矩要尽可能平滑，从而实现平稳精确的推力传动。因此，研究SynRM转矩脉动的抑制方法是非常必要的。

目前，国内外学者对于如何抑制SynRM转矩脉动已经做了大量深入的研究，如采用多相设计，不对称定子设计和转子磁障偏移等方法。但是，所述的转矩脉动抑制方法主要用于具有多层磁障的横向叠片转子。在设计这种电机时是需要综合考虑电磁和机械性能间的权衡。然而，与多层磁障结构的SynRM相比，凸极SynRM结构更加简单且提供了更高的机械稳定性。另外，现有的转矩脉动抑制方法大多依赖有限元仿真，这是相当耗时的。因此，如何快速准确有效地降低转矩的谐波从而抑制转矩脉动，是需要重点研究的方向。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型五相凸极同步磁阻电机及其转矩脉动的抑制方法。该转矩脉动抑制方法是指采用非对称磁极结构和磁极偏移相结合来降低转矩脉动。

为了实现上述效果，本发明的技术方案为：

一种新型五相凸极同步磁阻电机，包含外定子(1)和内转子(2)；外定子(1)包括采用五相分布式电枢绕组(3)、和沿圆周方向上的多个定子齿部和定子槽部；内转子(2)包括导磁桥(4)，多个凸极(5)和定位孔(6)；所述内转子凸极(5)沿着顺时针方向按照凸极1、2、3...进行排列，其中凸极的奇数极1、3...的极弧系数和偶数极2、4...的极弧系数相差一定的值，转换为角度表示则相差α；所述奇数极1、3...和偶数极2、4...构成非对称磁极；相邻的一对非对称磁极构成重复单元；所述内转子的重复单元进行间隔性偏移，偏移角度为α；所述导磁桥(4)沿圆周方向与所有凸极(5)相连；所述定位孔(6)始终在电机起动阶段应与A相绕组对齐。

进一步，所述凸极(5)为8个，沿着顺时针方向按照凸极1、2、3、4、5、6、7、8进行排列，其中凸极的奇数极为1、3、5、7，偶数极为2、4、6、8。

进一步，定子槽数为40个。

进一步，内转子的奇数极的极弧系数和偶数极的极弧系数的相差0.1，转换为角度表示 4.5°。

进一步，重复单元进行间隔性偏移为4.5°。

进一步，导磁桥(4)厚度选0.3mm。

进一步，偏移角度α的表达式为：

其中，n是谐波阶次，N_2ps为表示电机槽数与极数的最小公倍数N_2ps＝LCM(N_s，2N_p)，N_s表示电机的槽数，N_p表示电机的极对数。

本发明的方法的技术方案为：一种根据权利要求1所述的新型五相凸极同步磁阻电机转矩脉动的抑制方法，包括以下步骤：

步骤1，对目标凸极磁阻电机的极槽配比进行选择；

步骤2，通过有限元对目标凸极磁阻电机的内转子参数进行优化，主要包括极弧系数和凸极厚度；

步骤3，保持目标凸极磁阻电机内转子中奇数极的极弧系数不变，改变偶数极的极弧系数，使电机形成非对称的结构；

步骤4，将相邻的一对非对称磁极视为重复单元，保持目标凸极磁阻电机内转子中的重复单元间隔性偏移，偏移角度为α。

进一步，偏移角度α的表达式为：

其中，n是谐波阶次，N_2ps为表示电机槽数与极数的最小公倍数N_2ps＝LCM(N_s，2N_p)，N_s表示电机的槽数，N_p表示电机的极对数。

本发明的技术方案具有如下效果：

1.本发明中SynRM在采用非对称磁极结构的基础上，又利用磁极偏移的方法来进一步消除转矩脉动。

2.本发明中内转子的不对称磁极设计主要是用来降低转矩的二次主要谐波。

3.本发明中内转子采用的磁极偏移方法主要是用来降低转矩的一次主要谐波。

4.本发明偏移角度α的选取，将内转子磁极不对称设计与磁极偏移相结合，在减小转矩脉动的情况下，保持电机的平均转矩没有下降，比较全面的提高了电机的电磁性能。

5.本发明中内转子的导磁桥的增加有利于降低损耗，主要指风损。

附图说明

下列附图为本发明的实施例，其中：

图1(a)为本发明中新型五相凸极磁阻电机的结构示意图及其电机转子演变过程示意图；(b)为对称转子示意图；(c)为不对称磁极的转子示意图；(d)为偏移不对称磁极的转子示意图；

图2为本发明中采用对称转子时SynRM的平均转矩和极弧系数以及凸极厚度的关系； (a)3D图；(b)平面图；

图3为本发明中采用对称转子时SynRM的转矩脉动和极弧系数以及凸极厚度的关系； (a)3D图；(b)平面图；

图4为本发明中采用三种转子结构时转矩比较图；

图5为本发明中采用三种转子结构时转矩谐波分析图。

图中，1：外定子；2：内转子；3：电枢绕组；4：导磁桥；5：凸极；6：定位孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1(a)为本发明凸极SynRM的实施例。如图1所示，SynRM包括包含外定子1和内转子2；所述外定子1包括40个定子槽和嵌在其中的电枢绕组3；所述内转子2包括导磁桥 4，8个凸极5和两个定位孔6。所述内转子的奇/偶数极的极弧系数和偶/奇数极的极弧系数的相差一定的值，转换为角度表示，即相差α。所述奇/偶数极的极和偶/奇数极的极构成非对称磁极。所述相邻的一对非对称磁极构成重复单元。所述内转子的重复单元进行间隔性偏移，偏移角度为α。所述导磁桥沿圆周方向与所有凸极相连。所述定位孔在起动时需与A 相绕组对齐。

一种新型五相凸极同步磁阻电机转矩脉动的抑制方法，包括以下步骤：

步骤1，对目标凸极磁阻电机的极槽配比进行选择；

步骤2，通过有限元对目标凸极磁阻电机的内转子参数进行优化，主要包括极弧系数和凸极厚度；

如图2所示为本发明中采用如图1(b)所示转子I时SynRM的平均转矩和极弧系数以及凸极厚度的关系。如图3所示为本发明中采用转子I时SynRM的转矩脉动和极弧系数以及凸极厚度的关系。综合考虑平均转矩和转矩脉动之后，极弧系数选择为0.4，导磁桥厚度选择为0.3mm。

步骤3，保持目标电机转子中奇/偶数极的极弧系数不变，改变偶/奇数极的极弧系数，使电机形成非对称的结构。

如图1(c)所示，转子II是在转子I的基础上保证凸极1,3,5和7的极弧系数不变，减小凸极2,4,6和8的极弧系数。偶数凸极和奇数凸极的极弧系数相差值转换为角度表示，即相差α。由于磁极没有偏移，所以奇数极和偶数极之间的夹角仍然保持45°。

步骤4，将相邻的一对非对称磁极视为重复单元，保持目标电机转子中的重复单元间隔性偏移，偏移角度为α。

如图1(d)所示,内转子III是在内转子II的基础上进行偏移。首先，极1和2，极3和4，极5和6，极7和8都被选为重复单元。然后，极1和2，极5和6保持不变，偏移凸极3和4，极7和8，偏移的角度为α。

角度α的表达式为：

不对称角度和偏移角度的计算结果为4.5°。其中N_s＝40，N_p＝4。

上式中n是谐波阶次，N_2ps为表示电机槽数与极数的最小公倍数N_2ps＝LCM(40，8)＝40。

图1(b)到图1(d)为本发明中电机内转子演变过程示意图，本发明以图1(b)内转子I结构为基本结构，在此基础上进行磁极不对称设计得到内转子II(即图1(c))，进一步的，再在内转子II基础上选取重复单元进行间隔偏移得到转子III(即图1(d))，将采用三种转子结构的SynRM的转矩性能进行比较，说明本发明的有益效果。

图4和图5分别表示本发明中采用三种转子结构时转矩比较图和转矩谐波分析图。如图5所示，在进行不对称设计后，电机转矩的2次主要谐波被大大削弱，从而降低了转矩脉动。进一步，再进行磁极偏移后，转矩的1次主要谐波也被大大降低，从而有效的抑制了转矩脉动。

综上，本发明的一种新型五相凸极同步磁阻电机及其转矩脉动的抑制方法。新型凸极磁阻电机包括外定子和内转子；所述外定子上放置分布式绕组；所示内转子包括导磁桥，多个凸极和定位孔。所述相邻凸极的极弧系数不同且每对极的凸极偏移角度不同。凸极磁阻电机转矩脉动抑制方法具体包括：相邻极选取不同极弧系数，选择重复单元并进行偏移和偏移角度的计算。这些不对称设计方法和磁极偏移方法有利于抑制转矩脉动且能运用于同步磁阻电机、永磁辅助同步磁阻电机和永磁电机。本发明利用公式快速计算出相邻凸极最优的极弧系数差和重复单元的间隔偏移角度，在减小设计周期的同时实现了最优的效果本发明将转子磁极不对称结构设计与转子磁极偏移设计相结合，通过选择合适的极弧系数和偏移角，从而达到降低电机转矩脉动的目的，且保证整体输出转矩几乎保持不变。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种新型五相凸极同步磁阻电机，其特征在于，包含外定子(1)和内转子(2)；外定子(1)包括采用五相分布式电枢绕组(3)、和沿圆周方向上的多个定子齿部和定子槽部；内转子(2)包括导磁桥(4)，多个凸极(5)和定位孔(6)。

所述内转子凸极(5)沿着顺时针方向按照凸极1、2、3...进行排列，其中凸极的奇数极1、3...的极弧系数和偶数极2、4...的极弧系数相差一定的值，转换为角度表示则相差α；所述奇数极1、3...和偶数极2、4...构成非对称磁极；相邻的一对非对称磁极构成重复单元；所述内转子的重复单元进行间隔性偏移，偏移角度为α；所述导磁桥(4)沿圆周方向与所有凸极(5)相连；所述定位孔(6)始终在电机起动阶段应与A相绕组对齐。

2.根据权利要求1所述的一种新型五相凸极同步磁阻电机，其特征在于，所述凸极(5)为8个，沿着顺时针方向按照凸极1、2、3、4、5、6、7、8进行排列，其中凸极的奇数极为1、3、5、7，偶数极为2、4、6、8。

3.根据权利要求2所述的一种新型五相凸极同步磁阻电机，其特征在于，定子槽数为40个。

4.根据权利要求1所述的一种新型五相凸极同步磁阻电机，其特征在于，内转子的奇数极的极弧系数和偶数极的极弧系数的相差0.1，转换为角度表示4.5°。

5.根据权利要求1所述的一种新型五相凸极同步磁阻电机，其特征在于，重复单元进行间隔性偏移为4.5°。

6.根据权利要求1所述的一种新型五相凸极同步磁阻电机，其特征在于，导磁桥(4)厚度选0.3mm。

7.根据权利要求1所述的一种新型五相凸极同步磁阻电机，其特征在于，偏移角度α的表达式为：

其中，n是谐波阶次，N_2ps为表示电机槽数与极数的最小公倍数N_2ps＝LCM(N_s，2N_p)，N_s表示电机的槽数，N_p表示电机的极对数。

8.一种根据权利要求1所述的新型五相凸极同步磁阻电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对目标凸极磁阻电机的极槽配比进行选择；

步骤2，通过有限元对目标凸极磁阻电机的内转子参数进行优化，主要包括极弧系数和凸极厚度；

步骤3，保持目标凸极磁阻电机内转子中奇数极的极弧系数不变，改变偶数极的极弧系数，使电机形成非对称的结构；

步骤4，将相邻的一对非对称磁极视为重复单元，保持目标凸极磁阻电机内转子中的重复单元间隔性偏移，偏移角度为α。

9.根据权利要求8所述的一种新型五相凸极同步磁阻电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，偏移角度α的表达式为：

其中，n是谐波阶次，N_2ps为表示电机槽数与极数的最小公倍数N_2ps＝LCM(N_s，2N_p)，N_s表示电机的槽数，N_p表示电机的极对数。