CN111769697B - 一种电励磁磁通切换电机转矩脉动和感应电压削弱方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电励磁磁通切换电机的转矩脉动和空载励磁绕组感应电压削弱方法，通过根据电机定子槽数和转子极数确定转矩和空载励磁绕组感应电压谐波阶次；使用有限元软件仿真获取不同极靴角下谐波转矩和励磁绕组感应电压的波形及对应数据，并使用快速傅里叶分解得到不同谐波阶次对应的幅值、相位特性；根据需要削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压其中之一或同时削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压，采取不同的方式削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压。本发明涉及的削弱方法易于实现，效果明显，通过本发明可以实现令电励磁磁通切换电机在实际应用中具有高转矩密度、低转矩脉动和低励磁绕组感应电压的特点。

Description

一种电励磁磁通切换电机转矩脉动和感应电压削弱方法
技术领域
本发明涉及电机本体设计与分析的技术领域，尤其涉及一种电励磁磁通切换电机转矩脉动和感应电压削弱方法。
背景技术
伴随着稀土永磁材料的发展，具有高转矩密度、高效率的永磁电机成为了学术界、工业界研究的热点。永磁电机在工业、家用电器、航天等众多领域也取得了广泛的应用。但是永磁材料本身也有价格波动大、高温不可逆退磁等缺陷，这也限制了永磁电机更广泛的应用。因此，近年来非稀土永磁电机受到了越来越多的关注。
非稀土永磁电机种类众多，包括异步电机、开关磁阻电机、绕线式同步电机等。异步电机结构简单，成本低廉，但是有功率因数较低，调速性能稍差等缺点。开关磁阻电机定转子都为凸极结构，其中定子侧放置绕组，转子仅为凸极结构。开关磁阻电机结构简单，转子结构易于实现高速运行，但是转矩脉动较大。绕线式同步电机有较好的调速性能，成本也相对低廉。但是，因为传统的转子励磁式绕线同步电机需要放置电刷和滑环，这种电机需要不定期的维护。因此，一些学者尝试将转子侧的励磁绕组放置到定子侧，从而实现了无刷运行。这种将电枢绕组和励磁绕组同时放置在定子侧的电机被称为电励磁磁通切换电机。
但是，电励磁磁通切换电机的应用也需要克服一些问题，如较大的转矩脉动、因气隙磁阻的变化而生成的励磁绕组感应电压等等。许多学者针对这些问题提出了一些削弱方法，如转子分段斜极、转子齿宽配合、转子齿削极、双三相和转子齿轴向配合等方法，但难以保证在维持电机高转矩密度的同时削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供，该发明能够
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提供了一种电励磁磁通切换电机转矩脉动和感应电压削弱方法，其特征在于：包括，根据电机定子槽数Ns和转子极数Nr确定转矩和空载励磁绕组感应电压谐波阶次；使用有限元软件仿真获取不同极靴角下谐波转矩和励磁绕组感应电压的波形及对应数据，并使用快速傅里叶分解得到不同谐波阶次对应的幅值、相位特性；判断需要同时削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压或仅削弱其中之一；若需要削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压其中之一，则调整极靴角度对应的主要谐波相位差，且使两段定子长度之比数值上等于各自主要谐波幅值之比的倒数；若需要同时削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压，则结合使用极靴角的参数遍历结果和多目标优化算法，并根据两个目标的重要性选取合适的参数组合。
进一步的，在本发明中：电机定子轴向上分为两段，两段定子齿有不同的极靴角，且两段定子长度可以相同或不同。
进一步的，在本发明中：削弱对象为定子槽数Ns、转子极数为Nr的电励磁磁通切换电机。
进一步的，在本发明中：电机定子轴向段数为2或任一大于2的整数。
进一步的，在本发明中：若削弱对象为转矩脉动或者空载励磁绕组感应电压其中之一，则极靴角组合和轴向长度配比的选取原则为，选取极靴角组合使两段定子的削弱对象主要谐波的相位差为180°，且两段定子的长度之比为其对应的削弱对象主要谐波幅值之比的倒数。
进一步的，在本发明中：若削弱对象为转矩脉动和空载励磁绕组感应电压，则极靴角组合和轴向长度配比的选取原则为，则获取极靴角度参数遍历的谐波转矩结果和空载励磁绕组感应电压谐波阶次结果，并根据适应度函数计算定子轴向配合电励磁磁通切换电机的转矩脉动和空载励磁绕组感应电压，结合多目标优化算法得到优化空间的pareto前沿，根据二者的重要性，在pareto前沿上选择合适的极靴角组合和轴向长度配比。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)本方法通过使用轴向配合的电励磁磁通切换电机，能够有效地削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压，有利于电机的高性能控制和高速运行。
(2)本方法通过定子轴向分段配合，能够维持电机的平均转矩在原设计的95％以上
附图说明
图1为电励磁磁通切换电机转矩脉动和感应电压削弱方法的流程图；
图2为定子齿不带极靴的12/10槽极配合的电励磁磁通切换电机拓扑图；
图3为定子齿带极靴的12/10槽极配合的电励磁磁通切换电机拓扑图；
图4为本发明所提供的轴向配合技术的电励磁磁通切换电机拓扑示意图；
图5为带极靴、不带极靴、I型轴向配合和II型轴向配合的电励磁磁通切换电机带载转矩波形对比折线图；
图6为带极靴、不带极靴、I型轴向配合和II型轴向配合的电励磁磁通切换电机空载励磁绕组感应电压波形对比折线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
如图1所示，为本实施例提出的电励磁磁通切换电机转矩脉动和感应电压削弱方法的流程示意图，该方法包括以下过程，
步骤一：根据电机定子槽数Ns和转子极数Nr确定转矩和空载励磁绕组感应电压谐波阶次；具体的，齿槽转矩和空载励磁绕组感应电压谐波阶次为LCM(Ns,Nr)/Nr，转矩脉动的阶次由电机反电势谐波导致的转矩脉动阶次和齿槽转矩阶次共同决定，其取值为二者之间的较小值。
其中，电机定子轴向上分为两段，两段定子齿有不同的极靴角，且两段定子长度可以是相同或不同的。
优选的，参照图3的示意，为一种带极靴的电励磁磁通切换电机拓扑，而图2为传统的不带极靴的电励磁磁通切换电机拓扑示意图，其中，1表示绕组，2为定子，3为转子，4表示齿主体，5为极靴，可以看出其区别在于定子齿是否带有极靴。参照图4的示意，示意为为一种使用轴向配合的电励磁磁通切换电机拓扑如图所示，图4中6表示定子I，7表示定子II，A和B分别为定子I和定子II的局部放大图。定子可以分为两段，各自有不同的极靴角，两段定子均带极靴但有不同极靴角的配合形式被称为II型轴向配合；而一段定子带极靴，另一段定子不带极靴。这种轴向配合被称为I型轴向配合，本实施例提出的削弱方法对于I型和II型轴向配合的电机均适用。
具体的，图3为定子齿不带极靴的12/10槽极配合的电励磁磁通切换电机拓扑，对于12/10的极槽配合，二者主要的谐波阶次都为6k，其中，k＝1,2,3,…n，n为自然数。
步骤二：使用有限元软件仿真获取不同极靴角下谐波转矩和励磁绕组感应电压的波形及对应数据，并使用快速傅里叶分解得到不同谐波阶次对应的幅值、相位特性；
步骤三：判断需要同时削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压或仅削弱其中之一；在实际应用中，由专业人员和实际情况判定此时对电机稳定性的要求，若工作环境对电机转矩稳定性有较高要求，则需削弱电机转矩脉动；若励磁绕组供电裕量较小，则需考虑空载励磁绕组感应电压；若同时存在这两种要求，则两者需要同时考虑。
具体的，此处的判断根据实际应用中的需求来确定，在电机转动的过程中，瞬时输出力矩随时间不断变化，围绕某一平均值上下变动，这种现象称之为转矩脉动，转矩脉动若过大，会拖动负载，降低电机运行速度的稳定性，使电机能耗增加；空载励磁绕组感应电压的生成则会影响电机的电流和功率，
步骤四：若需要削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压其中之一，则调整极靴角度对应的主要谐波相位差，且使两段定子长度之比数值上等于各自主要谐波幅值之比的倒数；
进一步的，若削弱对象为转矩脉动或者空载励磁绕组感应电压其中之一，则极靴角组合和轴向长度配比的选取原则为，选取极靴角组合使两段定子的削弱对象主要谐波的相位差为180°，且两段定子的长度之比为其对应的削弱对象主要谐波幅值之比的倒数。
步骤五：若需要同时削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压，则结合使用极靴角的参数遍历结果和多目标优化算法，并根据两个目标的重要性选取合适的参数组合。
具体的，若需要同时削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压，则获取极靴角度参数遍历的谐波转矩结果和空载励磁绕组感应电压谐波阶次结果，并根据适应度函数多目标优化算法输入的两端极靴角数值和定子轴向配比计算定子轴向配合电励磁磁通切换电机的转矩脉动和空载励磁绕组感应电压。即将不同极靴角对应的转矩脉动和励磁绕组感应电压乘以相应的定子分段轴向长度并相加，再利用多目标优化算法得到优化空间的pareto前沿，根据二者的重要性，在pareto前沿上选择合适的极靴角组合和轴向长度配比，此处的选择也是根据具体情况由专业工作人员进行选择，标准为步骤三中实际工作环境对电机稳定性的要求。
具体的，本实施例中的削弱对象为定子槽数Ns、转子极数为Nr的电励磁磁通切换电机，电机定子轴向段数可以为2，也可以为任一大于2的整数。
当削弱对象为转矩脉动和空载励磁绕组感应电压二者时，极靴角组合和轴向长度配比的选取原则为：结合使用极靴角的参数遍历结果和多目标优化算法，根据两个目标的重要性选取合适的参数组合。
以上实施方式，同样适用于其他定子槽数Ns、转子极数为Nr的电励磁磁通切换电机。
参照图5和图6的示意，图5为带极靴、不带极靴、I型轴向配合和II型轴向配合的电励磁磁通切换电机带载转矩波形对比图，图6为带极靴、不带极靴、I型轴向配合和II型轴向配合的电励磁磁通切换电机空载励磁绕组感应电压波形对比图，可以看出，在保证电机一定转矩密度的前提下，通过选取电机轴向分段的极靴角组合大大削弱了转矩脉动和空载励磁绕组感应电压。本发明涉及的削弱方法易于实现，效果明显，使用本发明的电励磁磁通切换电机具有高转矩密度、低转矩脉动和低励磁绕组感应电压的特点。
应说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种电励磁磁通切换电机转矩脉动和感应电压削弱方法，其特征在于：包括，
根据电机定子槽数Ns和转子极数Nr确定转矩和空载励磁绕组感应电压谐波阶次；
使用有限元软件仿真获取不同极靴角下谐波转矩和励磁绕组感应电压的波形及对应数据，并使用快速傅里叶分解得到不同谐波阶次对应的幅值、相位特性；
判断需要同时削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压或仅削弱其中之一；
若需要削弱转矩脉动和空载励磁绕组感应电压其中之一，则调整极靴角度对应的主要谐波相位差，且使两段定子长度之比数值上等于各自主要谐波幅值之比的倒数；
若削弱对象为转矩脉动或者空载励磁绕组感应电压其中之一，则极靴角组合和轴向长度配比的选取原则为，选取极靴角组合使两段定子的削弱对象主要谐波的相位差为180°，且两段定子的长度之比为其对应的削弱对象主要谐波幅值之比的倒数；
若削弱对象为转矩脉动和空载励磁绕组感应电压，则极靴角组合和轴向长度配比的选取原则为，则获取极靴角度参数遍历的谐波转矩结果和空载励磁绕组感应电压谐波阶次结果，并根据适应度函数计算定子轴向配合电励磁磁通切换电机的转矩脉动和空载励磁绕组感应电压，结合多目标优化算法得到优化空间的pareto前沿，根据二者的重要性，在pareto前沿上选择合适的极靴角组合和轴向长度配比；
电机定子轴向上分为两段，两段定子齿有不同的极靴角，且两段定子长度可以相同或不同；
削弱对象为定子槽数Ns、转子极数为Nr的电励磁磁通切换电机。
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