CN110071613B - 一种变极电动机的槽配合确定方法、系统及相关组件 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种变极电动机的槽配合确定方法、系统及相关组件，包括：获取目标定子槽数；根据目标定子槽数确定转子槽数范围；在转子槽数范围内根据目标极对数与目标定子槽数确定对应同步附加转矩的第一转子槽数集合；排除转子槽数范围内的第一转子槽数集合，得到第二转子槽数集合及多个预选槽配合；通过对多个预选槽配合进行对应目标极对数的解析计算，得到每个预选槽配合的力波表；比较多个力波表，确定满足低阶力波要求的多个初选槽配合；建立每个初选槽配合的电机仿真模型并进行径向力波计算，得到对应的多个计算结果，以确定最优槽配合。最优槽配合是结合这多个筛选条件较高要求的槽配合，在变极电动机中能达到性能均衡、全面合理的效果。

Description

一种变极电动机的槽配合确定方法、系统及相关组件
技术领域
本发明涉及电机设计领域，特别涉及一种变极电动机的槽配合确定方法、系统及相关组件。
背景技术
随着工业生产水平的提高，对电机性能的要求越来越高，电机产品的更新速度加快。由于电机内部电磁关系复杂，因此其设计过程比较复杂，需要考虑诸多方面，例如定子和转子的槽型设计、绕组设计，电机性能之间存在不可避免的矛盾，如改善启动性能则可能造成效率降低，这些在电机设计过程中需要综合考虑，才能做到全面合理。如果选择不当，很可能造成电机的某些性能恶化，如电机驱动过程中出现同步附加转矩和异步附加转矩含量过高，影响电机的启动性能甚至无法启动，或出现不同频率、不同阶数的径向电磁力力波，产生较大的振动噪声。
尤其在变极双速电机的设计过程中，由于槽配合需要满足多种极对数的要求，条件更为严格，一旦选择不当，对电机启动性能、效率和振动噪声的影响比常规电机更加严重。然而目前，还没有一套选择变极双速电机恰当的槽配合的方案。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种变极电动机的槽配合确定方法、系统及相关组件，以便能够高效快捷地确定合适的槽配合。其具体方案如下：
一种变极电动机的槽配合确定方法，包括：
获取目标定子槽数；
根据所述目标定子槽数，确定转子槽数范围；
在所述转子槽数范围内，根据目标极对数与所述目标定子槽数确定对应同步附加转矩的第一转子槽数集合；
排除所述转子槽数范围内的所述第一转子槽数集合，得到第二转子槽数集合以及对应所述第二转子槽数集合的多个预选槽配合；
通过对多个所述预选槽配合进行对应所述目标极对数的解析计算，得到每个所述预选槽配合的力波表；
比较多个所述力波表，确定满足低阶力波要求的多个初选槽配合；
建立对应每个所述初选槽配合的电机仿真模型，并根据该电机仿真模型进行径向力波计算，得到对应多个所述初选槽配合的多个计算结果；
根据多个所述计算结果，确定最优槽配合。
优选的，所述第一转子槽数集合包括：
对应堵转时同步附加转矩的转子槽数；
对应运转时同步附加转矩的转子槽数。
优选的，所述低阶力波要求具体包括：二阶径向力波的幅值小于预设值。
优选的，所述建立对应每个所述初选槽配合的电机仿真模型，并根据该电机仿真模型进行径向力波计算，得到对应多个所述初选槽配合的多个计算结果的过程，具体包括：
建立对应每个所述初选槽配合的电机仿真模型，并根据该电机仿真模型进行径向力波计算和快速傅里叶分解，得到对应多个所述初选槽配合的计算结果；
每个所述计算结果包括每个所述槽配合对应的径向力波次数与幅值。
优选的，所述根据多个所述计算结果，确定最优槽配合的过程，具体包括：
确定对应所述计算结果为最小幅值的二阶径向力波的初选槽配合为最优槽配合。
优选的，变极电动机的所述目标极对数具体为2/12。
优选的，所述根据多个所述计算结果，确定最优槽配合的过程，具体包括：
根据多个所述计算结果，确定最优槽配合为36/52。
相应的，本申请还公开了一种变极电动机的槽配合确定系统，包括：
定子模块，用于获取目标定子槽数；
第一转子模块，用于根据所述目标定子槽数，确定转子槽数范围；
第二转子模块，用于在所述转子槽数范围内，根据目标极对数与所述目标定子槽数确定对应同步附加转矩的第一转子槽数集合；
预选确定模块，用于排除所述转子槽数范围内的所述第一转子槽数集合，得到第二转子槽数集合以及对应所述第二转子槽数集合的多个预选槽配合；
初选确定模块，用于通过对多个所述预选槽配合进行对应所述目标极对数的解析计算，得到每个所述预选槽配合的力波表；比较多个所述力波表，确定满足低阶力波要求的多个初选槽配合；
最优确定模块，用于建立对应每个所述初选槽配合的电机仿真模型，并根据该电机仿真模型进行径向力波计算，得到对应多个所述初选槽配合的多个计算结果；根据多个所述计算结果，确定最优槽配合。
相应的，本申请还公开了一种变极电动机的槽配合确定装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文中所述变极电动机的槽配合确定方法的步骤。
相应的，本申请还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述变极电动机的槽配合确定方法的步骤。
本申请公开了一种变极电动机的槽配合确定方法，包括：获取目标定子槽数；根据所述目标定子槽数，确定转子槽数范围；在所述转子槽数范围内，根据目标极对数与所述目标定子槽数确定对应同步附加转矩的第一转子槽数集合；排除所述转子槽数范围内的所述第一转子槽数集合，得到第二转子槽数集合以及对应所述第二转子槽数集合的多个预选槽配合；通过对多个所述预选槽配合进行对应所述目标极对数的解析计算，得到每个所述预选槽配合的力波表；比较多个所述力波表，确定满足低阶力波要求的多个初选槽配合；建立对应每个所述初选槽配合的电机仿真模型，并根据该电机仿真模型进行径向力波计算，得到对应多个所述初选槽配合的多个计算结果；根据多个所述计算结果，确定最优槽配合。
由上，本申请通过多个角度计算筛选，从转子槽数范围、第二转子槽数集合或预选槽配合、初选槽配合到最优槽配合，最终确定了适合目标极对数的最优槽配合，由于最优槽配合通过层层筛选得到，因此最优槽配合是这多个筛选条件结合中效果均较理想的槽配合，应用在变极电动机中能达到性能均衡、全面合理的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种变极电动机的槽配合确定方法的步骤流程图；
图2a为本发明实施例中槽配合36/52的2极径向力波示意图；
图2b为本发明实施例中槽配合36/52的2极径向力波分解图；
图3为本发明实施例中一种变极电动机的槽配合确定系统的结构分布图。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术常用于确认某一种极对数下电动机的槽配合，以均衡电磁噪声和电机启动速度两个方面。但是对于变极电动机来说，由于电动机在应用过程中存在多种极对数的状态，电动机的槽配合必须兼顾每种极对数下的环境来选择，否则可能会导致严重的电磁噪声问题和因为同步附加转矩产生的启动困难，不能正常运行。
本发明实施例公开了一种变极电动机的槽配合确定方法，参见图1所示，包括：
S1：获取目标定子槽数；
可以理解的是，本实施例用于确定变极电动机的槽配合，槽配合是指该变极电动机中定子槽数与转子槽数的配置确定。即使在变极电动机中，极对数根据应用场景可在变极选项中选择更改，变极电动机的槽配合是始终不变的。
S2：根据所述目标定子槽数，确定转子槽数范围；
具体的，转子槽数范围内的转子槽数为Z2＝aZ1，其中Z1为目标定子槽数，a为确定系数，一般取值在0.6到1.5之间，此时转子槽数Z2最小为0.6Z1，最大为1.5Z1，以上式得到的所有转子槽数Z2的集合作为转子槽数范围。
S3：在所述转子槽数范围内，根据目标极对数与所述目标定子槽数确定对应同步附加转矩的第一转子槽数集合；
具体的，所述第一转子槽数集合包括：对应堵转时同步附加转矩的转子槽数和对应运转时同步附加转矩的转子槽数。
其中，电动机在堵转时会产生同步附加转矩的转子槽数包括：根据Z2＝Z1和Z2＝2pmk计算得出的转子槽数；电动机在运转时会产生同步附加转矩的转子槽数包括：根据Z2＝Z1+2p、Z2＝2pmk+2p和Z2＝Z1+p计算得到的转子槽数；其中p为目标极对数，m为电动机相数，k为任意正整数。
需要注意的是，本实施例中的电动机为变极电动机，电动机的目标极对数状态为两种或两种以上，在本实施例中p有两个或两个以上的数值，针对每个极对数算出的转子槽数都应当计入第一转子槽数集合。
S4：排除所述转子槽数范围内的所述第一转子槽数集合，得到第二转子槽数集合以及对应所述第二转子槽数集合的多个预选槽配合；
S5：通过对多个所述预选槽配合进行对应所述目标极对数的解析计算，得到每个所述预选槽配合的力波表；
由于产生较大的径向力波主要是一二阶齿谐波，故计算中主要计算到2阶力波为止。具体公式如下：
定子相带谐波次数：v＝(6k1+1)p；
定子齿谐波次数：v＝k1Z1+p k1＝±1,±2；
转子齿谐波次数：u＝k2Z2+p k2＝±1,±2；
径向力波次数：m＝v±u。
S6：比较多个所述力波表，确定满足低阶力波要求的多个初选槽配合；
可以理解的是，在确定了变极电动机的目标极对数后，对一个确定的槽配合就可以进行解析计算，对多个预选槽配合的解析计算，得到每个预选槽配合的力波表，结合多个力波表，可以进行定性分析和判断，将低阶力波数目较少或幅值较小的预选槽配合确定为初选槽配合。
具体的，这里所说的低阶力波要求一般指低阶力波如0、2、4阶径向力波的幅值小于预设要求幅值，由于产生较大的径向力波来源主要为一二阶齿谐波，因此低阶力波要求主要关注二阶径向力波，要求二阶径向力波的幅值小于预设值。
S7：建立对应每个所述初选槽配合的电机仿真模型，并根据该电机仿真模型进行径向力波计算，得到对应多个所述初选槽配合的多个计算结果；
具体的，采用有限元软件，例如ANSYS Maxwell 2D来建立电机仿真模型。
其中根据该电机仿真模型进行径向力波计算，得到对应多个所述初选槽配合的多个计算结果的过程，具体包括：
根据该电机仿真模型进行径向力波计算和快速傅里叶分解，得到对应多个所述初选槽配合的计算结果；
可以理解的是，快速傅里叶分解得到的数据通过类似VBA程序的预处理和整理，就可以得到对应的计算结果，其中每个所述计算结果包括每个所述槽配合对应的径向力波次数与幅值。
S8：根据多个所述计算结果，确定最优槽配合。
具体的，确定对应所述计算结果为最小幅值的二阶径向力波的初选槽配合为最优槽配合。
由上，本申请通过多个角度计算筛选，从转子槽数范围、第二转子槽数集合或预选槽配合、初选槽配合到最优槽配合，最终确定了适合目标极对数的最优槽配合，由于最优槽配合通过层层筛选得到，因此最优槽配合是这多个筛选条件结合中效果均较理想的槽配合，应用在变极电动机中能达到性能均衡、全面合理的效果。
本发明实施例公开了一种具体的变极电动机的槽配合确定方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。
具体的，变极电动机的所述目标极对数具体为2/12。
可以理解的是，本实施例中变极电动机工作时的极对数可在目标极对数2和12中选择或转换，相比单极对数或近极比的变极电动机，2/12属于远极比，而现有常用的2极槽配合方案如36/28、36/42只适合转换到相近的其他极对数，适用于近极比的变极电动机，并不适合远极比2/12的变极电动机。因此，对目标极对数为2/12的变极电动机进行槽配合确定。
本实施例以槽配合36/28，36/42以及36/52为例，比较多个槽配合在本实施例的槽配合确定方法的解析计算过程。
参见下文中力波表所示，其中圆括号“()”表示一阶齿谐波，方括号“[]”表示二阶齿谐波。
其中表1a和表1b分别为槽配合36/28的2极力波表和12极力波表，可以看出表1a中存在大量的2阶力波、4阶力波和2个0阶力波，这些低阶力波由于定子齿谐波和转子齿谐波产生，会使电机产生大量的电磁噪声，经计算可知，u＝-55、v＝55、n＝107r/min时会产生同步附加转矩影响电机起动性能，使得电机只能维持在107r/min；而表1b中只有两个4阶力波。可见槽配合36/28在12极下电动机效果较好，2极下电动机效果较差。
类似的，表2a和表2b分别为槽配合36/42的2极力波表和12极力波表，表2a中存在大量的2阶力波、4阶力波和2个0阶力波，这些低阶力波由于定子齿谐波和转子齿谐波产生，会使电机产生大量的电磁噪声，由于定子相带谐波相比于齿谐波幅值较小，故可得出在2极时槽配合36/42的径向力小于槽配合36/28的径向力；但是在u＝-41、v＝41、n＝0r/min时产生同步附加转矩，这个附加转矩会造成电机无法正常起动；而表2b中存在一个0阶力波，且u＝-78、v＝78在n＝71.43r/min时产生同步附加转矩影响起动。
类似的，表3a和表3b分别为槽配合36/52的2极力波表和12极力波表，表3a与表2a相比虽然多了一个2阶力波和一个4阶力波，但是表3a中产生这些力波的均为定子相带谐波，径向力波幅值相对较小，并且不会产生同步附加转矩影响起动；对于12极而言，36/52产生的只有4阶力波，对于电磁噪声的影响也相对较小。
Figure BDA0002059393000000081
表1a
Figure BDA0002059393000000082
表1b
Figure BDA0002059393000000091
表2a
Figure BDA0002059393000000092
表2b
Figure BDA0002059393000000101
表3a
Figure BDA0002059393000000102
表3b
进一步的，针对上述三种槽配合建立各自的电机仿真模型，进行径向力波计算和快速傅里叶分解，得到计算结果。
参见图2a所示为槽配合36/52的2极径向力波示意图，图2b所示为图2a对应的2极径向力波分解图。对另外两个槽配合也进行上述电机仿真模型建立、径向力波计算和快速傅里叶分解，可以得到相似的结果，再进行比较，得到下文的对比表：
Figure BDA0002059393000000111
从该对比表可以明显对比得到，槽配合36/52在2极和12极的综合表现均优于36/28、36/42，因此，根据多个计算结果，确定最优槽配合为36/52。
综上，最优槽配合可以避免同步附加转矩以及该同步附加转矩对启动性能的影响，且产生电磁噪声的主因径向力波幅值小，确定最优槽配合作为槽配合的变极电动机能够在不同的目标极对数下同时达到电磁噪声小、启动性能好的效果。
相应的，本申请还公开了一种变极电动机的槽配合确定系统，参见图3所示，包括：
定子模块1，用于获取目标定子槽数；
第一转子模块2，用于根据所述目标定子槽数，确定转子槽数范围；
第二转子模块3，用于在所述转子槽数范围内，根据目标极对数与所述目标定子槽数确定对应同步附加转矩的第一转子槽数集合；
预选确定模块4，用于排除所述转子槽数范围内的所述第一转子槽数集合，得到第二转子槽数集合以及对应所述第二转子槽数集合的多个预选槽配合；
初选确定模块5，用于通过对多个所述预选槽配合进行对应所述目标极对数的解析计算，得到每个所述预选槽配合的力波表；比较多个所述力波表，确定满足低阶力波要求的多个初选槽配合；
最优确定模块6，用于建立对应每个所述初选槽配合的电机仿真模型，并根据该电机仿真模型进行径向力波计算，得到对应多个所述初选槽配合的多个计算结果；根据多个所述计算结果，确定最优槽配合。
由上，本申请通过多个角度计算筛选，从转子槽数范围、第二转子槽数集合或预选槽配合、初选槽配合到最优槽配合，最终确定了适合目标极对数的最优槽配合，由于最优槽配合通过层层筛选得到，因此最优槽配合是这多个筛选条件结合中效果均较理想的槽配合，应用在变极电动机中能达到性能均衡、全面合理的效果。
相应的，本申请还公开了一种变极电动机的槽配合确定装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文中所述变极电动机的槽配合确定方法的步骤。
其中，本实施例中的变极电动机的槽配合确定方法的具体细节可以参照上文实施例中的相关内容，此处不再赘述。
相应的，本实施例具有与上文中变极电动机的槽配合确定方法相同的有益效果，此处不再赘述。
相应的，本申请还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述变极电动机的槽配合确定方法的步骤。
其中，本实施例中的变极电动机的槽配合确定方法的具体细节可以参照上文实施例中的相关内容，此处不再赘述。
相应的，本实施例具有与上文中变极电动机的槽配合确定方法相同的有益效果，此处不再赘述。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种变极电动机的槽配合确定方法、系统及相关组件进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种变极电动机的槽配合确定方法，其特征在于，包括：
获取目标定子槽数；
根据所述目标定子槽数，确定转子槽数范围；
在所述转子槽数范围内，根据目标极对数与所述目标定子槽数确定对应同步附加转矩的第一转子槽数集合；
排除所述转子槽数范围内的所述第一转子槽数集合，得到第二转子槽数集合以及对应所述第二转子槽数集合的多个预选槽配合；
通过对多个所述预选槽配合进行对应所述目标极对数的解析计算，得到每个所述预选槽配合的力波表；
比较多个所述力波表，确定满足低阶力波要求的多个初选槽配合；
建立对应每个所述初选槽配合的电机仿真模型，并根据该电机仿真模型进行径向力波计算，得到对应多个所述初选槽配合的多个计算结果；
根据多个所述计算结果，确定最优槽配合；
其中，所述根据所述目标定子槽数，确定转子槽数范围的过程，具体包括：
根据所述目标定子槽数，确定转子槽数范围为[0.6Z1，1.5Z1]，Z1为所述目标定子槽数。
2.根据权利要求1所述槽配合确定方法，其特征在于，所述第一转子槽数集合包括：
对应堵转时同步附加转矩的转子槽数；
对应运转时同步附加转矩的转子槽数。
3.根据权利要求2所述槽配合确定方法，其特征在于，所述低阶力波要求具体包括：二阶径向力波的幅值小于预设值。
4.根据权利要求3所述槽配合确定方法，其特征在于，所述建立对应每个所述初选槽配合的电机仿真模型，并根据该电机仿真模型进行径向力波计算，得到对应多个所述初选槽配合的多个计算结果的过程，具体包括：
建立对应每个所述初选槽配合的电机仿真模型，并根据该电机仿真模型进行径向力波计算和快速傅里叶分解，得到对应多个所述初选槽配合的计算结果；
每个所述计算结果包括每个所述槽配合对应的径向力波次数与幅值。
5.根据权利要求4所述槽配合确定方法，其特征在于，所述根据多个所述计算结果，确定最优槽配合的过程，具体包括：
确定对应所述计算结果为最小幅值的二阶径向力波的初选槽配合为最优槽配合。
6.根据权利要求1至5任一项所述槽配合确定方法，其特征在于，变极电动机的所述目标极对数具体为2/12。
7.根据权利要求6所述槽配合确定方法，其特征在于，所述根据多个所述计算结果，确定最优槽配合的过程，具体包括：
根据多个所述计算结果，确定最优槽配合为36/52。
8.一种变极电动机的槽配合确定系统，其特征在于，包括：
定子模块，用于获取目标定子槽数；
第一转子模块，用于根据所述目标定子槽数，确定转子槽数范围；
第二转子模块，用于在所述转子槽数范围内，根据目标极对数与所述目标定子槽数确定对应同步附加转矩的第一转子槽数集合；
预选确定模块，用于排除所述转子槽数范围内的所述第一转子槽数集合，得到第二转子槽数集合以及对应所述第二转子槽数集合的多个预选槽配合；
初选确定模块，用于通过对多个所述预选槽配合进行对应所述目标极对数的解析计算，得到每个所述预选槽配合的力波表；比较多个所述力波表，确定满足低阶力波要求的多个初选槽配合；
最优确定模块，用于建立对应每个所述初选槽配合的电机仿真模型，并根据该电机仿真模型进行径向力波计算，得到对应多个所述初选槽配合的多个计算结果；根据多个所述计算结果，确定最优槽配合；
所述第一转子模块具体用于：
根据所述目标定子槽数，确定转子槽数范围为[0.6Z1，1.5Z1]，Z1为所述目标定子槽数。
9.一种变极电动机的槽配合确定装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述变极电动机的槽配合确定方法的步骤。
10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述变极电动机的槽配合确定方法的步骤。
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