CN110086302B - 一种永磁电机转子磁障设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁电机转子磁障设计方法。先得出不含影响大的低次谐波分量且总谐波THD值相对最小的阶梯波，再由该阶梯波出发，根据具体磁钢结构类型以及磁路情况直接定位磁障的位置、角度、宽度等各项参数。本发明方法将之前的磁密波形优化过程转变为工程上易于操作的设计步骤，能有效提高设计效率，减少计算工作量，并满足精度要求；以此解决磁障设计涉及大量计算的难题。
Description
技术领域
本发明涉及永磁电机领域，具体为一种永磁电机转子磁障设计方法。
背景技术
现有永磁电动机的磁钢通常内置于转子上，永磁体产生气隙磁场，气隙磁密多为矩形波，其中含有大量的谐波成分，特别是3、5、7、9次等低次谐波，随转子以同步速旋转，切割定子铁芯感应出附加铁损。虽然从数值上看，谐波值小于基波值，但是频率却高于基波数倍，使谐波所产生的附加铁损量较异步电机要大得多，其所占全部铁损比重相当高；谐波磁场还在定子绕组中感应谐波电势，其中5、7等次的谐波电势可通过电源形成回路在定子绕组中产生谐波电流，由此又产生附加铜损。如果定子绕组为△接法，则还有3、9等次谐波电流在定子绕组中产生附加铜损。所有这些附加损耗拉低了电机效率，是除了制造工艺与材料因素之外影响效率指标的主因。此外，谐波磁场还引起转矩脉动[1-8]，对低速运行产生不利影响。因此，如何有效克服气隙磁场中的谐波影响是永磁电机面临的一个要解决课题。
国内外为进一步提升永磁电机效率倾注了大量研究工作。改善气隙磁密波形，消除低次谐波含量，是降低损耗，提升效率的有效途径。据文献调查与归纳，目前采用的改善永磁同步电动机气隙磁密的方法是采用一些特殊类型隔磁桥的转子结构，比如采用不对称分布的磁障转子结构[3]，采用分段式磁障转子结构[4]以及采用多磁障的拱形永磁体组合的转子结构[5]。这些结构均能不同程度地改善永磁同步电动机气隙磁密波形，但这些措施并非以改善磁密波形为首要目标，而主要是为了增强磁阻效应，兼顾改善气隙磁密波形，其效果有限，并且均存在结构复杂，加工难度大，高速运行时转子叠片机械强度得不到保证等问题。文献[4-8]利用磁障结构产生磁阻效应并内嵌以磁钢，形成一种具有凸极效应的永磁电机，以减少电机低速运行时的转矩脉动，并能增强弱磁控制下的高速恒功率调速性能，达到永磁电机与磁阻电机的互补效应，一定程度上弥补了各自缺点，但气隙磁场并未改善。文献[9]采用磁障式转子结构，产生阶梯波气隙磁场，有效消除或削弱了气隙磁场中的低次谐波成分，但是对于磁障参数的确定仍须通过大量的优化计算。尽管采用田口法[9-12]可以明显减少计算量，但对于工程设计而言，该计算量还是太大，难以满足高效、准确的设计需要，并且，优化后的THD(totalharmonic currentdistortion)值近20％[9]，仍然较高，未达到最优结果。因此，目前在改善永磁电机气隙磁密波形，提升电机效率方面仍有许多工作要做。
图1为磁障式转子永磁电机结构示意图，磁钢为V型结构。该结构通过磁障对磁场的阻隔与聚合作用使永磁电机气隙磁密在磁障内侧的值要高于外侧值，使磁密波形由原来的矩形波变为阶梯波，如图2所示。该阶梯波较原方波更接近正弦波，所含谐波分量明显减少。通过对阶梯波形的设计与优化，可以消除影响最大的各低次谐波分量，以此达到消除或削弱气隙磁场中的主要谐波，改善气隙磁场的目的，使与磁场谐波相关的各种附加损耗得以消除，提升电机效率1％～2％。并且经优化后的气隙磁密阶梯波所含基波分量要比原方波中的基波分量高20％以上。因此，产生相同基波分量的磁通所需磁钢材料也相应节省20％以上，显著降低电机成本，提升竞争力。
图1中的每个磁障位置由磁障与磁钢平面的交点A(B点与之对称)以及与转子外圆交点F(G点与之对称)所确定。改变A点或F点位置将产生不同气隙磁密的阶梯波形，所含谐波情况也不相同。为最大限度削弱气隙磁场谐波，使其影响降为最小，需要在不同磁障位置参数情况下对不同气隙磁场磁密阶梯波形作大量计算与分析，并根据(1)式计算出相应的磁场谐波的THD值。由THD值的大小判别气隙磁场所含谐波的总体影响程度，THD值越小则谐波影响越小，相应的参数方案也就越佳。由此优化过程确定出最佳磁障结构方案。
(1)式中，B1为磁场基波幅值，Bk为k次谐波幅值。
虽然通过上述优化过程可以找到最佳的磁障参数，但缺点是计算量太大，可操作性不强，难以适应电机设计的工程需要。为了达到既能优化设计磁障参数的目的，又满足计算工作量较小的要求，人们试图采用田口法[9-12]来进行优化设计，它是一种能有效降低多参数多目标系统的优化设计工作量的通行方法。但是，使用该方法于磁障设计，优化后的磁场THD(total harmonic current distortion)值近20％[9]，仍然较高，并未达到理想结果，并且所涉及的步骤仍较繁多[9]。
综上所述，现有磁障设计方法缺点如下：
1、计算量大，难以适应永磁电机设计的工程需要；
2、采用田口法虽能减少计算量，但优化步骤冗多，未能完全达到理想结果。
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发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁电机转子磁障设计方法，该方法能有效提高设计效率，减少计算工作量，并满足精度要求，以此解决磁障设计涉及大量计算的难题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种永磁电机转子磁障设计方法，首先，构建不含影响大的低次谐波分量且总谐波THD值相对最小的阶梯波，并将该阶梯波作为气隙磁密波的理想目标阶梯波形；而后，根据目标阶梯波形的特点，结合永磁电机磁钢结构类型以及磁路情况，确定磁障的位置参数。
在本发明一实施例中，所述构建不含影响大的低次谐波分量且总谐波THD值相对最小的阶梯波的具体方式如下：
S1、绘制幅值为1、周期为2π的方波；
S2、将步骤S1绘制的方波右移π/6；
S3、将步骤S1绘制的方波与步骤S2得到的波形叠加；
S4、将步骤S3得到的波形右移π/3；
S5、将步骤S3得到的波形与步骤S4得到的波形叠加，得所需阶梯波波形，即目标阶梯波形。
在本发明一实施例中，所述根据目标阶梯波形的特点，结合永磁电机磁钢结构类型以及磁路情况，确定磁障的位置参数的具体方式如下：
设一个磁极下的气隙弧长为永磁电机转子外圆上I点与K点之间的圆弧，H点为I点与K点之间的圆弧的中点，在每个极的磁钢上方设置两个磁障，位于磁极轴线两侧对称位置，磁障与永磁电机转子外圆的交点为F，磁障与磁钢平面的交点为A；磁钢与永磁电机转子磁桥的交点为D；
首先，根据目标阶梯波形的波形特征确定磁障与永磁电机转子外圆的交点F：
由目标阶梯波形，可知F与H两点间的水平距离
为半波长的1/4，即为经过H与I两点的竖直虚线间距的一半，因此，磁障F点定位在永磁电机转子外圆I点与H点之间的圆弧长的1/2位置；同理，由目标阶梯波形可知I、D两点间的水平距离
及D、F两点间的水平距离
的关系，由此可得磁钢D点与永磁电机转子外圆I点间的弧长应为与F点间的弧长一半，由此定位磁钢D点位置；
由目标阶梯波形，可知H与F两点间的波值是D与F点间波值的2倍，因此磁钢所产生的磁场在永磁电机转子外圆的H与F两点间的气隙磁密值也应为F与D两点间气隙磁密值的2倍；因磁障的阻隔作用使得H与F两点间的气隙磁密完全由
段磁钢的磁场决定，永磁电机转子外圆的D与F两点间的气隙磁密则由
段磁钢决定；又由于磁钢发出的磁通量与磁钢长度成正比，该磁通全部穿越气隙，再除以气隙面积即得气隙磁密值；因此可得：
H与F点间气隙磁密
D与F点间气隙磁密
其中，k为比例常数；
由于
以及
因此可得：
在磁钢长
已知情况下，由上式即可确定磁障与磁钢平面的交点A的位置；再由V型磁钢的对称关系可确定另一磁障的位置参数。
在本发明一实施例中，该方法可应用于W型、一字型磁钢结构的磁障设计。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明方法将之前优化过程转变为工程上易于操作的设计步骤，避免了繁杂计算，可操作性强，显著提升了设计效率，并能满足精度要求，以此解决磁障设计难的问题，本发明方法具有如下优点：
1、简单易行，可操作性强；
2、适用面广，对各种磁钢结构诸如V型、W型、一字型等的永磁电机均适用；
3、准确度高，如果忽略磁桥及定子槽口影响，采用此设计方法所产生的气隙磁密阶梯波与事先构建的理想目标阶梯波形相吻合。
附图说明
图1为磁障式转子结构。
图2为阶梯波形的磁密分布。
图3为本发明构建目标阶梯波的流程示意图。
图4为磁障结构局部放大示意图。
图中，1为磁障，2为磁钢。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种永磁电机转子磁障设计方法，首先，构建不含影响大的低次谐波分量且总谐波THD值相对最小的阶梯波，并将该阶梯波作为气隙磁密波的理想目标阶梯波形；而后，根据目标阶梯波形的特点，结合永磁电机磁钢结构类型以及磁路情况，确定磁障的位置参数。
以下为本发明的具体实现过程。
本发明方法的基本思想是，①先构建不含影响大的各低次谐波分量且总谐波THD值相对最小的阶梯波(通过优化途径获得)，将该阶梯波作为气隙磁密波的理想目标波形；②根据目标阶梯波的特点，结合永磁电机具体磁钢结构类型以及磁路情况，直接确定磁障与磁钢以及磁障与转子外圆的交点等位置参数。此设计方法将之前优化过程转变为工程上易于操作的设计步骤，避免了繁杂计算，可操作性强，显著提升了设计效率，并能满足精度要求。以此解决磁障设计难的问题。该设计方法具有如下优点：
1、简单易行，可操作性强；
2、适用面广，对各种磁钢结构如V型、W型、一字型等的永磁电机均适用；
3、准确度高，如果忽略磁桥及定子槽口影响，采用此设计方法所产生的气隙磁密阶梯波与事先构建的理想目标阶梯波形相吻合。
具体的，本发明磁障设计新方法由以下两部分构成。
一、构建目标阶梯波
1、绘制幅值为1、周期为2π的方波，如图3(a)所示；
2、将图3(a)波形右移π/6，得图3(b)方波；
3、将图3(a)波形与图3(b)波形叠加，得图3(c)波形；
4、再将图3(c)波形右移π/3，得图3(d)波形；
5、再将图3(c)波形与图3(d)波形叠加，得图3(e)波形。
图3(e)波形即为所构建的目标阶梯波。对该波形进行傅立叶分析，即可得出基波分量为4.26034，其中3、9、15、…等3倍数的奇次谐波值均为0，5次谐波值为0.2283，7次谐波值为0.16308，11次谐波值为0.3873，13次谐波值为0.3277。由此可见，有影响的低次谐波分量基本消灭殆尽。其THD(total harmonic current distortion)值仅为16.609％，明显低于采用田口法所得出的约20％的数值[9]。因此该方法明显优于田口法。
二、磁障定位
图4为一个磁极下的磁障结构局部放大示意图，一个磁极下的气隙弧长为图中的I与K点之间圆弧。在每个极的磁钢上方通常设置两个磁障(介质为空气，厚度d通常数倍于气隙长度值)，位于磁极轴线两侧对称位置，具体定位分别由A、F与B、G点所决定。由于对称关系，只要确定任一磁障位置，另一磁障的位置也就随之而定。首先，参照图3(e)的阶梯波形的变化特征确定磁障与转子外圆的交点F。由于图3(e)的阶梯波正半波顶部中点H与F点间的距离HF为半波长的1/4(即经过H与I两点的竖直虚线间距的一半)，因此，图4的磁障F点定位在I与H点之间弧长的1/2位置。仿此，图4的D与I点分别对应于图3(e)的D与I点位置，该两点在图3(e)中的彼此间距
而
由于图3(e)的H与F两点间的波值(即波高)是D与F点间波值的2倍，因此就要求图4磁钢所产生的磁场在H与F两点间的气隙磁密值也为F与D两点间气隙磁密值的2倍。交点A将磁钢长
分为两部分，一部分为
段，另一部分为
段。因磁障的阻隔作用使得H与F两点间的气隙磁密完全由
段磁钢的磁场决定。同理，D与F两点间的气隙磁密则由
段磁钢决定。又由于磁钢发出的磁通量与磁钢长度成正比，该磁通全部穿越气隙，再除以气隙面积即得气隙磁密值。因此不难得出以下关系：
H与F点间气隙磁密
D与F点间气隙磁密
(2)、(3)式中的k为比例常数。
由于
以及
代入(2)、(3)式，可得：
在磁钢长
已知情况下，根据(4)式即可确定磁障与磁钢的交点A的位置。再由对称关系确定另一磁障的B与G点位置。
按上述方法确定的磁障位置在与磁钢共同作用下，所产生的气隙磁密波形将与图3(e)完全一致。
所述方法完全适用于其它W型、一字型等磁钢结构的磁障设计。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种永磁电机转子磁障设计方法，其特征在于，首先，构建不含影响大的低次谐波分量且总谐波THD值相对最小的阶梯波，并将该阶梯波作为气隙磁密波的理想目标阶梯波形；而后，根据目标阶梯波形的特点，结合永磁电机磁钢结构类型以及磁路情况，确定磁障的位置参数；所述构建不含影响大的低次谐波分量且总谐波THD值相对最小的阶梯波的具体方式如下：
S1、绘制幅值为1、周期为2π的方波；
S2、将步骤S1绘制的方波右移π/6；
S3、将步骤S1绘制的方波与步骤S2得到的波形叠加；
S4、将步骤S3得到的波形右移π/3；
S5、将步骤S3得到的波形与步骤S4得到的波形叠加，得所需阶梯波波形，即目标阶梯波形；所述根据目标阶梯波形的特点，结合永磁电机磁钢结构类型以及磁路情况，确定磁障的位置参数的具体方式如下：
设一个磁极下的气隙弧长为永磁电机转子外圆上I点与K点之间的圆弧，H点为I点与K点之间的圆弧的中点，在每个极的磁钢上方设置两个磁障，位于磁极轴线两侧对称位置，磁障与永磁电机转子外圆的交点为F，磁障与磁钢平面的交点为A；磁钢与永磁电机转子磁桥的交点为D；
首先，根据目标阶梯波形的波形特征确定磁障与永磁电机转子外圆的交点F：
由目标阶梯波形，可知F与H两点间的水平距离
为半波长的1/4，即为经过H与I两点的竖直虚线间距的一半，因此，磁障F点定位在永磁电机转子外圆I点与H点之间的圆弧长的1/2位置；同理，由目标阶梯波形可知I、D两点间的水平距离
及D、F两点间的水平距离
的关系，由此可得磁钢D点与永磁电机转子外圆I点间的弧长应为与F点间的弧长一半，由此定位磁钢D点位置；
由目标阶梯波形，可知H与F两点间的波值是D与F点间波值的2倍，因此磁钢所产生的磁场在永磁电机转子外圆的H与F两点间的气隙磁密值也应为F与D两点间气隙磁密值的2倍；因磁障的阻隔作用使得H与F两点间的气隙磁密完全由
段磁钢的磁场决定，永磁电机转子外圆的D与F两点间的气隙磁密则由
段磁钢决定；又由于磁钢发出的磁通量与磁钢长度成正比，该磁通全部穿越气隙，再除以气隙面积即得气隙磁密值；因此可得：
H与F点间气隙磁密
D与F点间气隙磁密
其中，k为比例常数；
由于
以及
因此可得：
在磁钢长
已知情况下，由上式即可确定磁障与磁钢平面的交点A的位置；再由V型磁钢的对称关系可确定另一磁障的位置参数。
2.根据权利要求1所述的一种永磁电机转子磁障设计方法，其特征在于，该方法应用于W型、一字型磁钢结构的磁障设计。
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| CN107979196A (zh) * | 2017-11-14 | 2018-05-01 | 江苏大学 | 一种不对称永磁辅助同步磁阻电机及改善转矩性能的设计方法 |
| KR20180079796A (ko) * | 2017-01-02 | 2018-07-11 | 엘지전자 주식회사 | 전동기 및 그의 로터의 제조방법 |
-
2019
- 2019-04-26 CN CN201910343231.5A patent/CN110086302B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1741354A (zh) * | 2004-08-26 | 2006-03-01 | Lg电子株式会社 | 永磁辅助synrm和在其上施加磁力的方法 |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 一种新型转子结构的内置式永磁同步电机优化设计;裴云庆 等;《微电机》;20181231;第51卷(第12期);说明书第2页第2段至第5页倒数第1段 * |
| 采用磁障转子的内置式永磁同步电机优化设计;赵晨 等;《微电机》;20180430;第51卷(第4期);第4-9页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110086302A (zh) | 2019-08-02 |
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