CN110676985B - 非均匀齿永磁游标电机设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种非均匀齿永磁游标电机设计方法，通过将呈环形并间隔排布于电机定子上的Zs个定子齿划分为Zf个齿单元组，在任意相邻两个齿单元组中心面之间的夹角相等并保证各齿单元组中心面位置不变的条件下，调整各齿单元组内ng个定子齿的位置，使各齿单元组内相邻两个定子齿之间的间距与相邻两个齿单元组之间的间距不相等，并使各齿单元组内ng个定子齿关于该齿单元组中心面对称，通过电机定子上的非均匀分布齿结构引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，再通过非均匀分布齿结构与永磁体调制出与目标磁导谐波对应的空载气隙磁密谐波，充分利用电枢绕组磁动势谐波，增加永磁游标电机输出转矩和转矩密度。

Description

非均匀齿永磁游标电机设计方法
技术领域
本发明属于永磁电机及永磁电机设计技术领域，更具体地说，是涉及一种非均匀齿永磁游标电机设计方法。
背景技术
游标电机(Vernier Machine)作为一种低速大转矩的直接驱动型电机，在电动汽车、风力发电、海浪发电等新能源领域有着广泛的应用前景。游标电机是一类定子、转子极数不相等的永磁电机，它主要包括电机定子、电机转子以及磁场调制部分。当前的开口槽式永磁游标电机，通常沿其电机定子的周向均匀开设有多个容纳电枢绕组的定子槽，各定子槽之间凸起的部分形成定子齿，通过均匀分布的定子齿结构进行调磁(磁场调制)，使电机转子的多数极对数磁场调制成与电机定子相匹配的少数极对数磁场，从而产生稳定的电磁转矩。然而，这种具有均匀分布齿结构的永磁游标电机，会导致电枢绕组的大量绕组磁动势谐波未被充分利用，严重限制永磁游标电机输出转矩和转矩密度的提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非均匀齿永磁游标电机设计方法，以解决现有技术中存在的永磁游标电机难以充分利用绕组磁动势谐波，限制永磁游标电机输出转矩和转矩密度提升的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种非均匀齿永磁游标电机非均匀齿永磁游标电机设计方法，所述非均匀齿永磁游标电机设计方法应用于永磁游标电机，所述永磁游标电机包括设有Zs个定子齿的电机定子、与所述电机定子配合的电机转子、设置于所述电机转子上的Zr对永磁体以及分别绕设于各所述定子齿上的电枢绕组；所述非均匀齿永磁游标电机设计方法包括如下步骤：
步骤S1：将Zs个所述定子齿呈环形并间隔地排布于所述电机定子上，沿顺时针或逆时针方向依次选取ng个连续排布的所述定子齿为一个齿单元组，以将Zs个所述定子齿划分为Zf个所述齿单元组；
步骤S2：在任意相邻两个所述齿单元组中心面之间的夹角相等并保证各所述齿单元组中心面位置不变的条件下，根据未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波，调整各所述齿单元组内ng个所述定子齿的位置，直至各所述齿单元组内相邻两个所述定子齿之间的间距与相邻两个所述齿单元组之间的间距不相等，以使Zs个所述定子齿在所述电机定子上构成非均匀分布齿结构；
步骤S3：将各所述齿单元组内ng个所述定子齿设置成关于该齿单元组的中心面对称，引入与所述未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过所述非均匀分布齿结构与所述永磁体调制出空载气隙磁密谐波，使所述空载气隙磁密谐波与所述目标磁导谐波对应。
进一步地，在调整各所述齿单元组内ng个所述定子齿的位置步骤中，任意相邻两个所述齿单元组之间的间距相等，且Zf个所述齿单元组电枢绕组对称。
进一步地，所述非均匀齿永磁游标电机设计方法还包括在调整各所述齿单元组内ng个所述定子齿的位置步骤之前的绕组磁动势谐波选取步骤，所述绕组磁动势谐波选取步骤包括：设定在Zs个所述定子齿呈环形排布且等间隔均匀分布的条件下，计算并分析所述电枢绕组的绕组磁动势谐波成分，选取未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波。
进一步地，所述绕组磁动势谐波选取步骤中，选取所述绕组磁动势谐波成分中未被空载气隙磁密谐波利用的最低次绕组磁动势谐波。
进一步地，将选取的所述未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波的次数记为Zc，将所述目标磁导谐波的磁导次数记为Zfn，则Zfn＝Zr-Zc，且所述齿单元组数Zf满足关系式Zf＝GCD(Zfn,Zs)或Zf＝Zs-Zfn；其中，式中GCD为最大公约数。
进一步地，通过所述目标磁导谐波与所述永磁体调制出的空载气隙磁密谐波成分满足以下关系式：
Figure GDA0002536804410000031
其中，B为磁密，P为磁导，F为永磁体磁动势，
Figure GDA0002536804410000032
为|nZr±mZf|次磁密谐波幅值，θm为转子机械位置角度；Zr为永磁体极对数；Zf为齿单元组个数；θ为转子上不同位置距参照点的角度；m为自然数，n为不小于1的奇数。
进一步地，所述非均匀齿永磁游标电机设计方法还包括在引入所述目标磁导谐波步骤之前，运用齿槽转矩相量分别对Zf个所述齿单元组内相同次序位置的所述定子齿的齿槽转矩谐波进行分析，修改各所述齿单元组内相同次序位置的所述定子齿的齿宽与位置，以消除特定次齿槽转矩谐波。
进一步地，在所述修改各所述齿单元组内相同次序位置的所述定子齿的齿宽与位置步骤中，Zs个所述定子齿呈等宽设置。
进一步地，在所述运用齿槽转矩相量分别对Zf个所述齿单元组内相同次序位置的所述定子齿的齿槽转矩谐波进行分析步骤之后，对所述目标磁导谐波与所述永磁体调制出的各有效次空载气隙磁密谐波含量进行计算，在满足齿槽转矩最小的条件下确定输出转矩最高的设计点。
进一步地，根据所述目标磁导谐波与所述永磁体调制出的各有效次空载气隙磁密谐波含量分析计算得到的电磁转矩满足关系式：
Figure GDA0002536804410000033
其中，kT为转矩系数，
Figure GDA0002536804410000034
为与绕组磁动势对应的|Zr±mZf|次磁密谐波幅值，Te为电磁转矩，Beffect为气隙有效磁密，Zr永磁体极对数，Zf为齿单元组个数，m为自然数。
本发明提供的一种非均匀齿永磁游标电机设计方法的有益效果在于：与现有技术相比，通过将呈环形并间隔排布于电机定子上的Zs个定子齿划分为Zf个齿单元组，在任意相邻两个齿单元组中心面之间的夹角相等并保证各齿单元组中心面位置不变的条件下，调整各齿单元组内ng个定子齿的位置，使各齿单元组内相邻两个定子齿之间的间距与相邻两个齿单元组之间的间距不相等，在电机定子上构成非均匀分布齿结构，并且使各齿单元组内ng个定子齿设置成关于该齿单元组的中心面对称，保证定子绕组相间对称。则可利用电机定子上的非均匀分布齿结构，引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过非均匀分布齿结构与永磁体调制出空载气隙磁密谐波，使空载气隙磁密谐波与目标磁导谐波对应，从而通过非均匀分布齿结构与永磁体调制出与目标磁导谐波对应的空载气隙磁密谐波，充分利用电枢绕组产生的磁动势谐波，实现电机额外产生净输出转矩，从而使永磁游标电机增加输出转矩和转矩密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法设计的永磁游标电机的立体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法设计的电机定子上绕设有定子绕组的立体结构示意图；
图3为本发明实施例提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法设计的电机定子的立体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法设计的电机定子上绕设有定子绕组的俯视结构示意图；
图5为本发明实施例提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的定子齿划分齿单元组的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的齿槽转矩分组的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法计的齿槽转矩分组情况示意图；
图8为本发明实施例提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的定子绕组短距分布绕组的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的齿槽转矩各组的相量图；
图10为本发明实施例提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法中ng＝4时齿槽转矩次谐波相量图。
其中，图中各附图主要标记：
1-电机定子；11-定子齿；2-电机转子；3-永磁体；4-电枢绕组；
5-齿单元组；51-中心面。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行优选地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，现对本发明提供的一种非均匀分布齿结构永磁游标电机的非均匀齿永磁游标电机设计方法进行说明。本发明提供的一种非均匀分布齿结构永磁游标电机的非均匀齿永磁游标电机设计方法，该非均匀齿永磁游标电机设计方法应用于永磁游标电机，永磁游标电机包括设有Zs个定子齿的电机定子1、与电机定子1配合的电机转子2、设置于电机转子2上的Zr对永磁体3以及分别绕设于各定子齿上的电枢绕组4；非均匀齿永磁游标电机设计方法包括如下步骤：
步骤S1：将Zs个定子齿呈环形并间隔地排布于电机定子1上，沿顺时针或逆时针方向依次选取ng个连续排布的定子齿为一个齿单元组5，以将Zs个定子齿划分为Zf个齿单元组5。
本步骤中，请参阅图2、图3及图5，对Zs个定子齿11进行分组，通过将ng个连续排布的定子齿11划分为一个齿单元组5，使Zf个齿单元组5与Zs个定子齿11满足关系式
Figure GDA0002536804410000061
为确保可以通过调整相邻定子齿11之间的间距以引入额外与未被空载气隙磁密谐波利用的低次绕组磁动势谐波对应频率的磁导谐波含量，须确保各齿单元组5的定子齿11个数ng大于1。其中，Zs、Zf、ng均为大于1的整数。
步骤S2：在任意相邻两个齿单元组5的中心面51之间的夹角相等并保证各齿单元组5中心面51位置不变的条件下，根据未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波，调整各齿单元组5内ng个定子齿的位置，直至各齿单元组5内相邻两个定子齿之间的间距与相邻两个齿单元组5之间的间距不相等，以使Zs个定子齿在电机定子1上构成非均匀分布齿结构。
具体地，在步骤S2中，根据永磁电机工作原理，永磁电机转矩来源于对应次数永磁体3磁密与绕组磁动势相互作用，其可用数学表达式表示为：
T＝kT∑kwnFcnBPMn (1-1)
其中，式中BPMn为空载气隙磁密n次谐波幅值；kT为常数，与永磁电机结构相关；kwn为n次谐波绕组因数；Fcn为绕组磁动势谐波幅值；n为未被空载气隙磁密谐波利用的特定次绕组磁动势谐波的次数。
本步骤中，以三相电枢绕组的磁动势谐波成分分析为例进行说明：开口槽式游标电机由于特殊的极数配比，电枢绕组极对数与定子齿11数差距较大，形成了一种分布集中绕组的绕线方案，且游标电机电枢绕组极对数p往往较低(p≤3)，如图8所示，三相18个定子齿11开口槽式游标电机短距分布绕组例子所示，选择极对数配比为2-16-18(p-Zr-Zs)情况，其A相绕组分为p组，每相每组包含Zs/3/p个定子齿11，在Zs/3/p个定子齿11上采用相同方向绕线，并间隔360/p角度对称分布于电机定子1一周，从而产生p对极的效果。使用该方式对极产生的绕组磁动势偶次谐波无法相互抵消，故下式(1-2)中绕组磁动势存在偶次谐波成分。
本实施例中，三相电枢绕组4采用三相对称集中式电枢绕组，则在三相对称集中分布式电枢绕组通入对称三相电流i＝Isin(ωt-α)时，三相集中式双层电枢绕组的磁动势谐波成分满足以下关系式：
Figure GDA0002536804410000081
其中，p为绕组极对数，ω为绕组输入三相电流的角速度，α为电流初始相位角，kw为各次谐波绕组因素，Fc1为傅里叶分解基波含量，θm为转子机械位置角度；n为从小到大依次取值的自然数，m为自然数。
本步骤中，请参阅图4，在满足任意相邻两个齿单元组5中心面51之间的夹角相等并保证各齿单元组5中心面51位置不变的条件下，调整各齿单元组5内ng个定子齿11的位置，直至各齿单元组5内相邻两个定子齿11之间的间距与相邻两个齿单元组5之间的间距不相等，以使Zs个定子齿11在电机定子1上构成非均匀分布齿结构，以引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波。即在调整各齿单元组5内ng个定子齿11的位置的同时，在满足任意相邻两个齿单元组5中心面51之间的夹角相等并保证各齿单元组5中心面51位置不变的条件下，并使各齿单元组5内ng个定子齿11设置成关于该齿单元组5中心面51对称，具体参阅图4。其中，各齿单元组5对应定子上的一段弧形段，该弧形段的中心对称面即为该齿单元组5的中心面51。
步骤S3：请参阅图4，将各齿单元组5内ng个定子齿设置成关于该齿单元组5的中心面51对称，引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过非均匀分布齿结构与永磁体3调制出空载气隙磁密谐波，使空载气隙磁密谐波与目标磁导谐波对应。
在步骤S3中，将各齿单元组5内ng个定子齿11设置成关于该齿单元组5中心面51对称，并将Zf个齿单元组5设置成具有相同的定子齿11分布结构，以使绕设于Zs个定子齿11上的多个电枢绕组4满足电枢绕组对称条件，从而利用电机定子1上的非均匀分布齿结构，引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过非均匀分布齿结构与永磁体3调制出与目标磁导谐波对应的空载气隙磁密谐波，使永磁游标电机增加输出转矩和转矩密度。
具体地，电机定子1上的定子齿11按上述非均匀分布齿结构设计规则变化后，气隙磁导基波次数由Zs变为Zf，当仅考虑次数低于Zs次绕组磁动势谐波时，此时磁导谐波增加了(ng-1,…,1)Zf次谐波，磁导谐波含量明显更为丰富，且额外引入的磁导谐波含量可通过改变单元内部定子齿11的分布规律进行调制。
例如，传统1-17-18(p-Zr-Zs)极数配比的游标电机，空载气隙磁场主要为基波、17次谐波，分别与绕组磁动势的基波、17次谐波作用产生净输出转矩。一般而言，永磁同步电机永磁体3产生的空载磁动势主要谐波仅为永磁体极对数Zr次谐波。游标电机通过磁场调制效应，较永磁同步电机额外引入了Zs-Zp次谐波，但相对绕组磁动势谐波含量而言，所利用绕组磁动势主要为1次和17次，相对含量丰富的5、7、11、13等低次绕组磁动势谐波均未得到有效利用。本步骤中，可以根据式(1-2)中绕组磁动谐波成分关系式选取未被空载气隙磁密谐波利用的低次绕组磁动势谐波，以利用幅值较高的低次绕组磁动势谐波与调制出的对应次气隙磁密谐波作用，使电机转子2额外产生较高的输出转矩。
本发明提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法，与现有技术相比，通过将呈环形并间隔排布于电机定子1上的Zs个定子齿划分为Zf个齿单元组5，在任意相邻两个齿单元组5中心面51之间的夹角相等并保证各齿单元组5中心面51位置不变的条件下，调整各齿单元组5内ng个定子齿的位置，使各齿单元组5内相邻两个定子齿之间的间距与相邻两个齿单元组5之间的间距不相等，并且使各齿单元组5内ng个定子齿设置成关于该齿单元组5的中心面51对称，在电机定子1上构成非均匀分布齿结构。则保证定子绕组相间对称，即可利用电机定子1上的非均匀分布齿结构，引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过非均匀分布齿结构与永磁体3调制出空载气隙磁密谐波，使空载气隙磁密谐波与目标磁导谐波对应，从而通过非均匀分布齿结构与永磁体3调制出与目标磁导谐波对应的空载气隙磁密谐波，充分利用电枢绕组4产生的磁动势谐波，实现电机额外产生净输出转矩，从而使永磁游标电机增加输出转矩和转矩密度。并且，可通过调整相邻定子齿11之间的间距以引入额外与未被空载气隙磁密谐波利用的低次绕组磁动势谐波对应频率的磁导谐波含量，进一步增加永磁游标电机输出转矩和转矩密度。
优选地，作为本发明提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的具体实施方式，非均匀齿永磁游标电机设计方法还包括在调整各齿单元组5内ng个定子齿的位置步骤之前的绕组磁动势谐波选取步骤，绕组磁动势谐波选取步骤包括：设定在Zs个定子齿呈环形排布且等间隔均匀分布的条件下，计算并分析电枢绕组4的绕组磁动势谐波成分，选取未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波。
本步骤中，设定在Zs个定子齿11呈环形排布且等间隔均匀分布的条件下，根据永磁游标电机磁场调制原理，通过式(1-2)计算并分析集中式电枢绕组4的绕组磁动势谐波成分，选取未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波。
优选地，作为本发明提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的具体实施方式，绕组磁动势谐波选取步骤中，选取绕组磁动势谐波成分中未被空载气隙磁密谐波利用的最低次绕组磁动势谐波，以利用幅值最高的最低次磁动势谐波或幅值较高的磁动势谐波与引入的对应次气隙磁密谐波作用，使电机转子2额外产生较高的输出转矩，进一步增加永磁游标电机输出转矩和转矩密度。
优选地，作为本发明提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的具体实施方式，将选取的未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波的次数记为Zc，将目标磁导谐波的磁导次数记为Zfn，则Zfn＝Zr-Zc，且齿单元组5数Zf满足关系式Zf＝GCD(Zfn,Zs)或Zf＝Zs-Zfn；其中，式中GCD为最大公约数。
本步骤中，以存在2p次绕组磁动势谐波的三相电枢绕组对称的永磁游标电机为例说明，由于Zs为3p的倍数，故Zs-3p同样为3p的倍数，通过最大公约数所确定的齿单元组个数Zf必然满足电枢绕组对称条件。
具体地，通过目标磁导谐波与永磁体3调制出的空载气隙磁密谐波成分满足以下关系式：
Figure GDA0002536804410000111
其中，B为磁密，P为磁导，F为永磁体磁动势，
Figure GDA0002536804410000112
为|nZr±mZf|次磁密谐波幅值，θm为转子机械位置角度；Zr为永磁体极对数；Zf为齿单元组个数；θ为转子上不同位置距参照点的角度；m为自然数，n为不小于1的奇数。
本步骤中，根据式(1-3)，例如在定子齿11均匀分布的齿结构中，永磁体3产生的空载气隙磁密主要有2(p)、16(Zr)次谐波，对应次数的电枢绕组磁动势谐波被利用到了，而式(1-2)中的其余低次谐波，如4(2p)、8(4p)次，并未被利用到。该非均匀齿永磁游标电机设计方法即选择未被利用的最低次谐波，即本例为4(2p)次。当想产生4(2p)次磁密时，所需磁导次数Zfn可通过式(1-3)确定，Zfn＝Zr(16)-2p(4)＝12，即额外引入12(Zfn)次磁导谐波。其中，Zfn＝永磁体极对数-想要的磁密次数。
优选地，作为本发明提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的具体实施方式，非均匀齿永磁游标电机设计方法还包括在引入目标磁导谐波步骤之前，运用齿槽转矩相量分别对Zf个齿单元组5内相同次序位置的定子齿的齿槽转矩谐波进行分析，修改各齿单元组5内相同次序位置的定子齿的齿宽与位置，以消除特定次齿槽转矩谐波。
具体地，请参阅图6及图7，分别将Zf个齿单元组5内部相同位置(图6中相同条纹的定子齿11)的Zf个定子齿11划分为一组齿槽转矩组6，则将Zs个定子齿11分为ng组齿槽转矩组6，请参阅图7，并运用齿槽转矩相量对Zf个齿单元组5内部相同位置的定子齿11的齿槽转矩谐波进行分析，通过改变各齿单元组5内部相同位置的定子齿11的齿宽与位置，以改变各组齿槽转矩组6的各次齿槽转矩谐波的相位与幅度，消除特定次齿槽转矩谐波。
优选地，作为本发明提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的具体实施方式，在修改各齿单元组5内相同次序位置的定子齿的齿宽与位置步骤中，Zs个定子齿呈等宽设置，以控制ng组齿槽转矩组6齿槽转矩谐波相量的相角分布，使各齿槽转矩组6齿槽转矩谐波相量等间隔分布，以消除Zs个定子齿11非均匀分布所引入的特定次齿槽转矩谐波。并且，将产生各组齿槽转矩相量的各组齿设置为特定间距，保证各组齿槽转矩相量等幅值，等旋转角度分布，以消除Zs个齿共同产生齿槽转矩的特定次谐波。
优选地，作为本发明提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的具体实施方式，在所述将Zs个所述定子齿11设置为等宽步骤之后，根据各所述齿槽转矩组的齿槽转矩特定次谐波相位，计算得到各所述齿单元组5内各所述定子齿11相对该齿单元组5中心面51的机械偏移角度，在计算得到的多个所述机械角度中选取目标机械角度，以确定各所述齿单元组5内各所述定子齿11的偏移位置。
优选地，作为本发明提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的具体实施方式，在运用齿槽转矩相量分别对Zf个齿单元组5内相同次序位置的定子齿的齿槽转矩谐波进行分析步骤之后，对目标磁导谐波与永磁体3调制出的各有效次空载气隙磁密谐波含量进行计算，在满足齿槽转矩最小的条件下确定输出转矩最高的设计点。
具体地，根据目标磁导谐波与永磁体3调制出的各有效次空载气隙磁密谐波含量分析计算得到的电磁转矩满足关系式：
Figure GDA0002536804410000121
其中，kT为转矩系数，
Figure GDA0002536804410000122
为与绕组磁动势对应的|Zr±mZf|次磁密谐波幅值，Te为电磁转矩，Beffect为气隙有效磁密，Zr永磁体极对数，Zf为齿单元组个数，m为自然数。
优选地，作为本发明提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的具体实施方式，在所述调整各所述齿单元组内部相同位置的所述定子齿的齿宽与位置步骤中，ng组所述齿槽转矩组共同作用产生的齿槽转矩满足以下关系式：
Figure GDA0002536804410000131
其中，Tcog为齿槽转矩，k为第k组齿，i为齿槽转矩的i次谐波，TkiNcog为第k组齿产生的齿槽转矩的i次谐波分量幅值，Ncog为齿单元组个数Zf和永磁体极数2Zr的最小公倍数，θm为转子机械位置角度，αk为第k组齿相对定子参考点的偏移角度，m为自然数。
本步骤中，如图7和图9所示，根据Zs个非均匀分布的定子齿的齿单元组划分情况，将Zs个定子齿分为ng组齿槽转矩组、各组齿槽转矩组包含Zf个齿的方法对齿槽转矩进行分析，以解决定子齿非均匀分布时的齿槽转矩变大问题。如图9所示，虽然各齿单元组的内部的ng个定子齿呈非均匀分布，但由于Zf个齿单元组内部的ng个定子齿分布情况相同，且各齿单元组的中心面间隔相同，此时，Zf个齿单元组内相同位置的Zf个定子齿相间隔的距离相等，即为均匀分布情况。
优选地，作为本发明提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的具体实施方式，在将Zs个所述定子齿设置为等宽步骤后，将各组齿槽转矩组的齿槽转矩基波相量依次偏移αng角度，以使整体齿槽转矩最低。其中，所述αng满足关系式：
Figure GDA0002536804410000132
其中，ng为齿槽转矩组的组数。
此时，在将各组所述齿槽转矩组的齿槽转矩基波相量依次偏移αng角度步骤之后，各组所述齿槽转矩组的齿槽转矩各次谐波相量满足以下关系式：
Figure GDA0002536804410000133
其中，Tcogk为第k组齿齿槽转矩，i为齿槽转矩的i次谐波，TkiNcog为第k组齿产生的齿槽转矩的i次谐波分量幅值，Ncog为齿单元组个数Zf和永磁体极数2Zr的最小公倍数，θm为转子机械位置角度，αk为第k组齿相对定子参考点的偏移角度，m为自然数。
当考虑齿槽转矩多次谐波时，由于引入非均匀齿结构后，齿槽转矩基波次数由LCM(Zs，2Zr)降低到LCM(Zf，2Zr)，其中LCM为最小公倍数，较均匀齿结构新引入了多次谐波。使用上述方法，可同时将以上新引入谐波含量一同消除，以各齿单元组内定子齿个数为4，即ng组齿槽转矩组为4组的情况进行说明：如图10所示，此时αng为90°时，各相量幅值相同。图中给出前4次情况，后续各次谐波依次循环。当αng为90°倍数时，以齿槽转矩组内某次作为基准，第l+1齿相位可将其表示为l90°。该方法前提是l不能等于4的倍数，如为4整数倍时，αng为360°的倍数，各次谐波均为叠加关系，将会使齿槽转矩达到最大。其余的l取值均可达到消除低次谐波的效果，该方法消除了齿槽转矩中谐波次数不为4倍数的谐波。由此可见，通过该方法可消除次数不等于ngNcog倍数的齿槽转矩波动。此时，ngNcog倍数次波动幅值为各组齿相量幅值叠加。其中，Ncog为非均匀齿时齿槽转矩基波次数。
优选地，作为本发明提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的具体实施方式，在非均匀分布齿结构中，各所述齿槽转矩组的相对位置角可充分调整，以使各所述齿槽转矩组的定子齿共同作用的齿槽转矩结果最小。且在所述运用齿槽转矩相量对ng组所述齿槽转矩组的齿槽转矩谐波进行分析步骤中，各组所述齿槽转矩组的相量满足关系式：
Figure GDA0002536804410000141
其中，
Figure GDA0002536804410000142
为第k组齿齿槽转矩的相量形式，i为齿槽转矩的i次谐波，TkiNcog为第k组齿产生的齿槽转矩的i次谐波分量幅值，Ncog为齿单元组个数Zf和永磁体极数2Zr的最小公倍数，θm为转子机械位置角度，αk为第k组齿相对定子参考点的偏移角度，m为自然数。
优选地，作为本发明提供的非均匀齿永磁游标电机设计方法的具体实施方式，在调整各齿单元组5内ng个定子齿的位置步骤中，任意相邻两个齿单元组5之间的间距相等，且Zf个齿单元组5电枢绕组4对称。
具体地，绕设于Zs个定子齿11上的多个集中式电枢绕组相间对称，使A相子绕组与B相子绕组具有120°的相位差，且B相子绕组与C相子绕组具有120°的相位差，从而使在永磁游标电机运转的过程中，转子不会产生很强的单边磁拉力，降低了三相电机在高速运转时的噪音。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非均匀齿永磁游标电机设计方法，所述非均匀齿永磁游标电机设计方法应用于永磁游标电机，其特征在于，所述永磁游标电机包括设有Zs个定子齿的电机定子、与所述电机定子配合的电机转子、设置于所述电机转子上的Zr对永磁体以及分别绕设于各所述定子齿上的电枢绕组；所述非均匀齿永磁游标电机设计方法包括如下步骤：
步骤S1：将Zs个所述定子齿呈环形并间隔地排布于所述电机定子上，沿顺时针或逆时针方向依次选取ng个连续排布的所述定子齿为一个齿单元组，以将Zs个所述定子齿划分为Zf个所述齿单元组；
步骤S2：在任意相邻两个所述齿单元组中心面之间的夹角相等并保证各所述齿单元组中心面位置不变的条件下，根据未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波，调整各所述齿单元组内ng个所述定子齿的位置，直至各所述齿单元组内相邻两个所述定子齿之间的间距与相邻两个所述齿单元组之间的间距不相等，以使Zs个所述定子齿在所述电机定子上构成非均匀分布齿结构；
步骤S3：将各所述齿单元组内ng个所述定子齿设置成关于该齿单元组的中心面对称，引入与所述未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过所述非均匀分布齿结构与所述永磁体调制出空载气隙磁密谐波，使所述空载气隙磁密谐波与所述目标磁导谐波对应。
2.如权利要求1所述的非均匀齿永磁游标电机设计方法，其特征在于，在调整各所述齿单元组内ng个所述定子齿的位置步骤中，任意相邻两个所述齿单元组之间的间距相等，且Zf个所述齿单元组电枢绕组对称。
3.如权利要求1所述的非均匀齿永磁游标电机设计方法，其特征在于，所述非均匀齿永磁游标电机设计方法还包括在调整各所述齿单元组内ng个所述定子齿的位置步骤之前的绕组磁动势谐波选取步骤，所述绕组磁动势谐波选取步骤包括：设定在Zs个所述定子齿呈环形排布且等间隔均匀分布的条件下，计算并分析所述电枢绕组的绕组磁动势谐波成分，选取未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波。
4.如权利要求3所述的非均匀齿永磁游标电机设计方法，其特征在于，所述绕组磁动势谐波选取步骤中，选取所述绕组磁动势谐波成分中未被空载气隙磁密谐波利用的最低次绕组磁动势谐波。
5.如权利要求3所述的非均匀齿永磁游标电机设计方法，其特征在于，将选取的所述未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波的次数记为Zc，将所述目标磁导谐波的磁导次数记为Zfn，则Zfn＝Zr-Zc，且所述齿单元组数Zf满足关系式Zf＝GCD(Zfn,Zs)或Zf＝Zs-Zfn；其中，式中GCD为最大公约数。
6.如权利要求1所述的非均匀齿永磁游标电机设计方法，其特征在于，通过所述目标磁导谐波与所述永磁体调制出的空载气隙磁密谐波成分满足以下关系式：
Figure FDA0002536804400000021
其中，B为磁密，P为磁导，F为永磁体磁动势，
Figure FDA0002536804400000022
为|nZr±mZf|次磁密谐波幅值，θm为转子机械位置角度；Zr为永磁体极对数；Zf为齿单元组个数；θ为转子上不同位置距参照点的角度；m为自然数，n为不小于1的奇数。
7.如权利要求1所述的非均匀齿永磁游标电机设计方法，其特征在于，所述非均匀齿永磁游标电机设计方法还包括在引入所述目标磁导谐波步骤之前，运用齿槽转矩相量分别对Zf个所述齿单元组内相同次序位置的所述定子齿的齿槽转矩谐波进行分析，修改各所述齿单元组内相同次序位置的所述定子齿的齿宽与位置，以消除特定次齿槽转矩谐波。
8.如权利要求7所述的非均匀齿永磁游标电机设计方法，其特征在于，在所述修改各所述齿单元组内相同次序位置的所述定子齿的齿宽与位置步骤中，Zs个所述定子齿呈等宽设置。
9.如权利要求7所述的非均匀齿永磁游标电机设计方法，其特征在于，在所述运用齿槽转矩相量分别对Zf个所述齿单元组内相同次序位置的所述定子齿的齿槽转矩谐波进行分析步骤之后，对所述目标磁导谐波与所述永磁体调制出的各有效次空载气隙磁密谐波含量进行计算，在满足齿槽转矩最小的条件下确定输出转矩最高的设计点。
10.如权利要求9所述的非均匀齿永磁游标电机设计方法，其特征在于，根据所述目标磁导谐波与所述永磁体调制出的各有效次空载气隙磁密谐波含量分析计算得到的电磁转矩满足关系式：
Figure FDA0002536804400000031
其中，kT为转矩系数，
Figure FDA0002536804400000032
为与绕组磁动势对应的|Zr±mZf|次磁密谐波幅值，Te为电磁转矩，Beffect为气隙有效磁密，Zr永磁体极对数，Zf为齿单元组个数，m为自然数。
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