CN112134419B - 一种吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法，包括：控制电机换向器的偏转角度，使电机换向器相对于电机铁心绕电机转轴旋转一定角度；设计i组偏转角度不同的高速永磁电机，并施加额定工作电压进行空载试验，得到不同偏转角度高速永磁电机在空载实验中的工作转速和工作电流；根据试验测试数据计算不同偏转角度高速永磁电机的最大工作力矩；比较不同偏转角度与转速，确定高速永磁电机换向器的最优偏转角度方案。本发明优化调整了高速永磁电机铁心磁场的变化周期节点，减少了因磁滞效应而造成永磁体磁场对铁心转动的影响，缓解了电机的转矩波动，同时可进一步提高高速永磁电机的转速。

Description

一种吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法
技术领域
本发明涉及高速永磁电机技术领域，尤其涉及一种吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法。
背景技术
永磁电机以其体积小、质量轻、结构简单、运行可靠等优点，伴随着永磁体材料的发展成熟，其应用也越来越广泛。小型永磁电机的定子磁场由永磁材料提供。而永磁电机转子磁场则由电枢线圈与铁心共同作用产生。铁心材料主要是由硅钢片组成，在被电枢线圈磁化的过程中，存在一定的磁滞现象，尤其是在高速永磁电机上表现得更为明显。磁滞现象导致铁心磁场方向在高速旋转过程中不能及时转变，限制电机转速的提升，引起工作转矩的波动。因此需要一种能够提升高速永磁电机转速，减少电机工作转矩波动的电机。
现有专利提及的关于提高高速永磁电机性能及转速的方法，如CN110401280A提供了一种高速永磁电机转子，通过精简转子结构，减小转子体积来提升电机转速和功率，但并未从铁心磁滞效应方面考虑电机转速的提升与改善；如CN109842233A提供了一种高平稳高效率三相高速电机，从硅钢片和绕组的结构上改善了电机的磁路，优化了电机性能，但改造成本比本方法较高。
1)、“一种具有实心磁钢的高速永磁电机转子”，专利号CN110401280A。该公开了一种高速永磁电机转子，尤其涉及一种具有实心磁钢的高速永磁电机转子。包括磁钢、左轴端、右轴端和保护套；本发明通过减小转子外径，降低线速度，以利于提高电机转速，因为线速度与转子外径成正比，所以减小转子外径可有效降低线速度。所述的高速永磁电机转子采用整体实心磁钢，仅由四个零件组成，所以结构简单，体积小，功率密度高，结构稳定性好，适用于电机高转速运转和提高电机功率。所述的高速永磁电机转子具有结构简单、转子外径小、线速度低、机械强度高、结构稳定性好、功率密度高等优点，这种结构有利于提高电机转速和功率。但其并未从铁心磁滞效应方面考虑电机转速的提升与改善。
2)、“一种高平稳高效率三相高速电机”，专利号CN109842233A。该发明提供提供了一种高平稳高效率三相高速电机，包括电机壳体、转子组件、轴承组件、叶轮组件和定子组件，电机壳体的轴线竖直设置；所述转子组件包括转轴和两极环形永磁体；叶轮组件固定穿装在所述转轴的上端；定子组件包括定子壳体、定子、绝缘层、杯型绕组、垫板、PCB板和针座，定子固定安装在所述定子壳体的内壁上，定子由多个连接在一起的硅钢片组成，这些硅钢片同轴设置并且按从上至下的顺序叠加在一起。本发明转矩输出平稳性大大增加，可以使磁场交变频率减半，因而涡流损耗和磁滞损耗更低；磁路结构中，漏磁更少，有效磁通利用率更高，有利于电机输出效率与输出功率的提高；气隙均匀，减少了高次谐波造成的电磁噪声、振动和有用功率损失。该方法从硅钢片和绕组的结构上改善了电机的磁路，优化了电机性能，但改造成本比本方法较高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法，该方法提升高速永磁电机转速，减少电机工作转矩波动的电机。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
一种吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法，包括：
A控制电机换向器的偏转角度，使电机换向器相对于电机铁心绕电机转轴旋转一定角度；
B设计i组偏转角度不同的高速永磁电机，并施加额定工作电压进行空载试验，得到不同偏转角度高速永磁电机在空载实验中的工作转速和工作电流；
C根据试验测试数据计算不同偏转角度高速永磁电机的最大工作力矩；
D比较不同偏转角度与转速，确定高速永磁电机换向器的最优偏转角度方案。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
该方法调整了高速永磁电机铁心磁场的变化周期节点，减少了因磁滞效应而造成永磁体磁场对铁心转动的影响，缓解电机的转矩波动，同时可进一步突破高速永磁电机的转速，针对现有高速永磁电机生产线具有改造成本低，操作方便的优点。
附图说明
图1是吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法工作流程图；
图2是吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法程序框架图；
图3是吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的内部结构示意图；
图4是吸尘器用换向器偏转高速永磁电机换向器偏转示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1和图2所示，为吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法工作流程，包括如下步骤：
步骤10控制电机换向器的偏转角度，使电机换向器相对于电机铁心绕电机转轴旋转一定角度；
步骤20设计i组偏转角度不同的高速永磁电机，并施加额定工作电压进行空载试验，得到不同偏转角度高速永磁电机在空载实验中的工作转速和工作电流；
步骤30根据试验测试数据计算不同偏转角度高速永磁电机的最大工作力矩；
步骤40比较不同偏转角度与转速，确定高速永磁电机换向器的最优偏转角度方案。
上述步骤10中，设换向器偏转高速永磁电机中极对数为p，电枢总导体数为N，电枢绕组并联的并联支路对数为a，控制高速永磁电机的换向器106相对于电机铁心104绕电机转轴101旋转β度，沿电机工作旋转方向为正，反之为负。
如图3所示电机结构极对数为1，电枢总导体数为120，电枢绕组并联的并联支路对数为1，则电机的电动势常数为2、转矩常数为19.1。
上述步骤20根据实际情况设置i组偏转角度不同的高速永磁电机并施加额定工作电压U进行空载试验，试验后测出不同偏转角度高速永磁电机在空载实验中的工作转速ni和工作电流Ii。
上述步骤30还需要排除不符合吸尘器力矩需求的偏转角数据，所述步骤30具体包括根据空载试验测得的工作转速ni和工作电流Ii计算第i组偏转角度β不同的高速永磁电机每极气隙磁通Φi，有
Figure BDA0002710094340000041
其中ΔUb为电机电刷102接触压降；由此可得第i组换向器偏转高速永磁电机的最大输出转矩Ti为
Figure BDA0002710094340000042
其中Ra为电机电枢回路105的电阻；根据计算结果，设吸尘器需求转矩为TG，第i组高速永磁电机偏转角度为βi，保留最大输出转矩Ti>TG的试验组偏转角度βi。
上述步骤40具体包括：比较不同偏转角度与转速，构建(βi，ni)数据集，则高速永磁电机换向器的最优偏转角度方案βopt存在于nmax所在的测试试验组，其中nmax应满足公式：
nmax＝max[n1,n2,n3,...,ni,...]。
如图4为吸尘器用换向器偏转高速永磁电机换向器偏转示意图。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法，其特征在于，所述方法包括：
A控制电机换向器的偏转角度，使电机换向器相对于电机铁心绕电机转轴旋转一定角度；
B设计i组偏转角度不同的高速永磁电机，并施加额定工作电压进行空载试验，得到不同偏转角度高速永磁电机在空载实验中的工作转速和工作电流；
C根据试验测试数据计算不同偏转角度高速永磁电机的最大工作力矩；
D比较不同偏转角度与转速，确定高速永磁电机换向器的最优偏转角度方案。
2.如权利要求1所述的吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
吸尘器用的换向器偏转高速永磁电机的极对数为p，电枢总导体数为N，电枢绕组并联的并联支路对数为a，则电机的电动势常数Ce、转矩常数CT分别为
Figure FDA0003239147090000011
Figure FDA0003239147090000012
所述高速永磁电机换向器相对于电机铁心绕电机转轴旋转β度，沿电机工作旋转方向为正，反之为负。
3.如权利要求1所述的吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法，其特征在于，所述步骤B中设计i组偏转角度β不同的高速永磁电机，并施加额定工作电压U进行空载试验，试验后测出不同偏转角度高速永磁电机在空载实验中的工作转速ni和工作电流Ii。
4.如权利要求1所述的吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：
根据空载试验测得的工作转速ni和工作电流Ii计算第i组偏转角度β不同的高速永磁电机每极气隙磁通Φi，有
Figure FDA0003239147090000021
其中ΔUb为电机电刷接触压降；由此可得第i组换向器偏转高速永磁电机的最大工作力矩Ti为
Figure FDA0003239147090000022
其中，U为额定工作电压，Ra为电机电枢回路的电阻；根据计算结果，设吸尘器需求转矩为TG，第i组高速永磁电机偏转角度为βi，保留最大输出转矩Ti>TG的试验组偏转角度βi。
5.如权利要求1所述的吸尘器用换向器偏转高速永磁电机的设计方法，其特征在于，所述步骤D中，比较不同偏转角度与转速，构建(βi，ni)数据集，则高速永磁电机换向器的最优偏转角度方案βopt存在于nmax所在的测试试验组，其中nmax应满足公式
nmax＝max[n1,n2,n3,...,ni,...]。
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