CN110571988A

CN110571988A - 一种模块组合内嵌式永磁同步电机的设计方法

Info

Publication number: CN110571988A
Application number: CN201910911264.5A
Authority: CN
Inventors: 宋同月; 颜建虎; 池松; 周怡; 冯创; 姚超
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2019-12-13

Abstract

本发明公开了一种模块组合内嵌式永磁同步电机设计方法，首先建立模块组合内嵌式永磁同步电机仿真模型，其中包括设计定子冲片和转子冲片的基本参数等；其次对于永磁电机的转矩脉动以及由此产生的振动噪声等给出理论分析；最后在理论分析的基础上给出模块组合内嵌式永磁同步电机的优化方法，通过对电机最核心的能量转换介质进行梳理改进，重构气隙，改变气隙形状，使电机基本性能得到较好的优化。本发明是对原有内嵌式永磁同步电机理解的基础上，进行的优化改良，不仅在外观上有了较大革新，而且从性能上也给出了优化方法，通过仿真验证，该方法有效，电机系统的振动噪声的到了很好地抑制。

Description

一种模块组合内嵌式永磁同步电机的设计方法

技术领域

本发明涉及内嵌式永磁电机设计技术，具体涉及一种模块组合内嵌式永磁同步电机的设计方法。

背景技术

自上个世纪七八十年代永磁电机迅速发展，永磁电机推陈出新，演化出各种结构的电机；其中内嵌式永磁电机效率高，功率因数高，体积质量小，稳定性和散热性很好，成为各种需要电机场合首要之选。在电机转动的过程中，瞬时输出力矩随时间不断变化，但是却围绕某一平均值上下变动，即所谓的转矩脉动。转矩脉动大的话，拖动负载，其稳定性就低，而且也影响了速度的稳定性，电机能耗增加。

永磁同步电机因其本身的一些固有缺陷，存在一系列非理想状态。永磁电机的空载反电势理论上要求是标准的三相正弦形的波形，它的产生是由于永磁体在电机气隙而生成的气隙磁密，而实际产生的往往由于高次谐波气隙磁密的影响而导致空载反电势波形畸变严重，同时齿槽转矩是在电机不通电时就会产生的一种影响因子，它们出现会产生转矩脉动，进而加大电机噪声和振动，同时会影响电机伺服控制系统的精度，使电机难以定位，极易发生安全事故。

模块组合内嵌式电机提高了能量传递效率，采用模块组合内嵌式永磁同步电机，将两台电机拆分再组合为一个整体，避免采用两台电机在传动中的不同步现象；永磁电机效率、功率因数很高，且运行安全可靠，提高电机运行的稳定性与安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块组合内嵌式永磁同步电机的设计方法，解决了需要高稳定低损耗的复杂传动系统重要问题，同时极大提高了系统性能。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种模块组合内嵌式永磁同步电机的设计方法，具体步骤如下：

步骤1、确定电机基本结构参数，采用绘图软件联合有限元分析软件做出仿真模型；由于本电机的特殊性，给出了单个普通永磁同步电机的功率、电压与模块组合内嵌式永磁同步电机的关系；

步骤2、对动态性能采用有限元方法进行求解，对求解后的电机产生振动噪声一大原因——转矩脉动进行分析；

步骤3、根据对模块组合内嵌式永磁同步电机的分析，对电机转矩脉动进行抑制，采用气隙重构的方法加大气隙磁密的正弦度；对比不同重构系数λ优化方法对性能影响结果，最后得到最优解。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

1)在传动方面利用模块组合内嵌式永磁同步电机代替传统的普通永磁同步电机，电机转子可以做成空心轴且在转子内侧加上螺纹，空心轴直接与螺杆相连做直驱运动，省去了复杂的机械装置传动，最大程度的减小了传动系统损耗，传动效率随之提高。

2)采用两个转子转向相异传动：转向相异的两根螺杆产生位移方向相反，由于两根螺杆是对称的，故水平位移大小相等这样相反位移会抵消，装置在运行时更加平稳。

3)采用气隙重构的方法，用迭代法计算出最优气隙，对电机的振动噪声有了较大改善。

附图说明

图1为本发明的模块组合内嵌式永磁同步电机的设计方法流程图。

图2为本发明的单个普通永磁同步电机的冲片图。

图3为本发明的模块组合内嵌式永磁同步电机的冲片图。

图4是本发明的模块组合内嵌式永磁同步电机的气隙重构方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作出进一步详细说明。

结合图1，一种模块组合内嵌式永磁同步电机的设计方法，具体步骤如下：

步骤1、由于模块电机的特殊性，根据单个普通永磁同步电机的功率、电压与模块组合电机的关系，进而确定电机基本结构参数，采用绘图软件联合有限元分析软件做出模块组合内嵌式永磁同步电机仿真模型：

电机设计基本参数包括：电机铁心长度L、气隙长度g、定子外径D_s、定子内径d_s、转子外径D_r、转子内径d_r、极对数为N_p、定子槽数Q、极距τ。做出单个普通永磁同步电机的冲片图，如图2。

模块组合内嵌式永磁同步电机的单个普通永磁同步电机在物理上相当于并联关系，每个电机的ABC三相分别引出三根导线后通以三相的交流电源，在通入电流后就会在电机的定子绕组中形成旋转磁场。由于转子上的永磁体一开始固定不动的，此时通以交流电产生的旋转磁场会带动转子永磁体在同性相吸的作用下发生旋转位移，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等。

上述过程在两个定子磁场的旋转方向和永磁体的旋转方向都会是相反的，这样左右两边电机实现了相异而动，在变频器的带动下电机的速度由零逐渐增加到接近定子的磁场旋转转速，电机实现工作过程。

模块组合内嵌式永磁同步电机的定子结构与常规永磁电机的定子一样，即在铁芯冲片上均匀的开定子槽。与单个普通永磁同步电机不同的是，由于要将两个电机耦合到一起，故需要每个电机取一部分而后互相耦合。

电机极对数为N_p，采用单层绕组的形式，根据电机的机电能量转换原理，定子槽数为4mN_p，其中m为相数。单个普通永磁同步电机功率P₁与模块组合内嵌式永磁同步电机总功率P的关系为：

单个普通永磁同步电机额定电压U₁电压与模块组合内嵌式永磁同步电机的总额定电压U关系为：

通过以上分析，可以做出模块组合内嵌式永磁同步电机的冲片图，如图3。

步骤2、对动态性能采用有限元方法进行求解，对求解后的电机产生振动噪声一大原因——转矩脉动进行分析，给出模块组合内嵌式永磁同步电机的脉动转矩的产生原因：

存储在电机磁场的磁场能量W为：

在上式(3)中，B为电机气隙磁密；μ为气隙磁导率；L为电机绕组的电感值；i是电机绕组相电流；N为匝数；R_m是气隙磁阻值；R为定子轭部磁阻；φ_m是磁通量；V为电机体积。

当电机给定电流激励，故电流相当于常量，对磁场能量W取角度θ的负偏导数，得到转矩T：

将式(4)带入式(3)可得到：

由式(5)可知，式中第一项为绕组感应电势因转子旋转而产生的转矩，第二项是电机的齿槽转矩，第三项是电机绕组与永磁体相互作用产生的有效转矩。

理想状态下的模块组合内嵌式永磁同步电机反电势的公式如下：

其中，e_a(t)、e_b(t)、e_c(t)分别为模块组合内嵌式永磁同步电机三相反电势；ω为电源角频率，t为时间，e₁、e₃、e₅……为反电势各次谐波幅值。

而理想状态下的模块组合内嵌式永磁同步电机三相电流如下：

其中，i₁为相电流基波幅值。

模块组合内嵌式永磁同步电机的电磁功率为p_i＝∑e_i(t)i_i(t)(i＝a、b、c)，故总的电机输出电磁转矩T_E为：

其中，Ω为模块组合内嵌式永磁同步电机机械角速度。

由上述分析可以知道，对于理想状态下的模块组合内嵌式永磁同步电机的电磁转矩中主要存在6次和6的倍数次的转矩脉动，反电势中影响转矩脉动较为明显的是6次和6的倍数附近的奇次谐波，即6n±1(n＝1、2、3……)次的奇数次谐波。

步骤3、根据对模块组合内嵌式永磁同步电机的分析，对电机转矩脉动进行抑制，采用气隙重构的方法加大气隙磁密的正弦度；对比不同重构系数λ优化方法对性能影响结果，最后得到相对最优解。

传统电机采用均匀气隙，电机的定子内径与转子外径是同心圆，两者半径相差一个气隙长度，如图2所示。而我们对气隙重构后形成非均匀气隙，如图4所示，定子内径已经采用原来圆弧，而转子外径采用偏心形式的圆弧，圆弧的中点与定子内径产生最小的气隙长度为δ_min，而圆弧的圆心O’在圆弧中点与原外径所在圆心O的连线某处，圆弧端点与原电机定子内径径向距离为最大气隙长度δ_max。

可以将分别对气隙重构系数取不同值，对不同气隙的电机进行建模有限元仿真，并提取空载反电势、气隙磁密等波形处理，并通过对比优化前的方案，找出最优的优化解。

Claims

1.一种模块组合内嵌式永磁同步电机的设计方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、由于模块电机的特殊性，根据单个普通永磁同步电机的功率、电压与模块组合内嵌式永磁同步电机的关系，进而确定电机基本结构参数，利用绘图软件联合有限元分析软件做出模块组合内嵌式永磁同步电机仿真模型；

步骤2、对模块组合内嵌式永磁同步电机仿真模型的动态性能采用有限元方法进行求解，对求解后的模块组合内嵌式永磁同步电机转矩脉动进行分析；

步骤3、根据对模块组合内嵌式永磁同步电机的转矩脉动分析，对电机转矩脉动进行抑制，采用气隙重构的方法增大气隙磁密的正弦度；对比不同重构系数λ优化方法对性能影响结果，迭代计算，最后得到相对最优解。

2.根据权利要求1中所述模块组合内嵌式永磁同步电机的设计方法，其特征在于，步骤1中，所述电机基本结构参数包括：电机铁心长度L、气隙长度g、定子外径D_s、定子内径d_s、转子外径D_r、转子内径d_r、极对数为N_p、定子槽数Q、极距τ；

模块组合内嵌式永磁同步电机的功率、电压原理如下：

经过以上推导得出模块组合内嵌式永磁同步电机仿真模型。

3.根据权利要求1中所述模块组合内嵌式永磁同步电机的设计方法，其特征在于，步骤2中，通过对模块组合内嵌式永磁同步电机仿真模型进行分析，着重分析齿槽转矩和脉动转矩的产生原因，输出电磁转矩T_E为：

其中，e_a(t)、e_b(t)、e_c(t)分别为模块组合内嵌式永磁同步电机三相反电势；ω为电源角频率，t为时间，e₁、e₃、e₅……为反电势各次谐波幅值，i_a(t)、i_b(t)、i_c(t)分别为模块组合内嵌式永磁同步电机三相相电流，i₁为相电流基波幅值，Ω为模块组合内嵌式永磁同步电机机械角速度；

对于理想状态下的模块组合内嵌式永磁同步电机的电磁转矩中存在6次和6的倍数次的转矩脉动，反电势中影响转矩脉动较为明显的是6次和6的倍数附近的奇次谐波，即6n±1(n＝1、2、3……)次的奇数次谐波。

4.根据权利要求1中所述的模块组合内嵌式永磁同步电机的设计方法，其特征在于，步骤3中，通过重新构建气隙形状，给定不同的气隙重构系数对电机仿真结果进行对比迭代，得出最优解，方法如下：

对气隙重构后形成非均匀气隙，定子内径采用圆弧，而转子外径采用偏心形式的圆弧，圆弧的中点与定子内径产生最小的气隙长度为δ_min，而圆弧的圆心O’在圆弧中点与原外径所在圆心O的连线某处，圆弧端点与原电机定子内径径向距离为最大气隙长度δ_max。