CN112737160A - 一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法 - Google Patents

Abstract

本公开公开一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法，属于电机本体设计与分析技术领域，针对表贴式永磁体自漏磁及端部漏磁，通过建立目标函数调整调制极系数组合和转子轴向分段抑制漏磁，提高功率因数。在该方法中，以抑制漏磁，提高功率因数为目标函数，通过解析计算和有限元结合的方法得到最佳的调制极系数组合；集中绕组磁场调制电机的转子在轴向上分为两段，两段的永磁体均为交替极结构，且每极永磁体分为三小块，以此来抑制永磁体的自漏磁；在端部加入辅助永磁体，抑制电机端部漏磁，削弱磁链谐波。本发明涉及的抑制漏磁，提高功率因数的方法操作简单、效果明显，可以减少漏磁，有效提升永磁电机的功率因数。

Description

一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法

技术领域

本公开属于电机本体设计与分析技术领域，具体涉及一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法。

背景技术

对于低速永磁直驱电机，存在体积和重量过大的问题，工业界采用高速电机外接减速器的组合来满足性能需求，但是外接减速器会引起振动、噪声等问题，会产生不利于电机运行的因素。基于上述问题，“自减速”永磁电机被提出，即磁场调制电机，而游标电机属于调制齿固定的一种磁场调制电机。与传统永磁电机不同，磁场调制电机的转子极对数与电枢极对数并不相等，运行原理也有一定区别。而现有的研究经验表明，游标电机仍然存在以下几个问题：(1)磁链较小。由于永磁体大多采用表贴式结构，永磁体自漏磁过大且轴向漏磁严重，导致磁链较低。(2)成本高。由于漏磁严重，想要达到额定负载，需要用到更多永磁体，导致电机成本上升。(3)功率因数低。功率因数与反电势、磁链等数值有关，但由于磁链较小、同步电感较大导致功率因数较低。

发明内容

针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法，解决了现有技术中电机永磁体自漏磁过大且轴向漏磁严重，导致磁链较低的问题。

本公开的目的可以通过以下技术方案实现：

一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：利用傅里叶级数建立调制极静止型磁场调制电机的磁动式-磁导模型；

步骤2：对磁动式-磁导模型进行分析计算，分别求得游标电机反电势、电枢磁动式等函数表达式；

步骤3：根据反电势、磁导等公式计算得到磁链，并由磁链推导出关于功率因数的函数表达式，以提升功率因数为优化目标函数进行参数优化，求解参数在功率因数中所占权重值，建立优化目标函数；

步骤4：优化后将单极主永磁体分为三段，现采用解析法，改变优化目标函数中三段永磁体宽度、厚度等参数，计算优化目标函数值，从而得出最佳的三段永磁体的宽度匹配值。

一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法，电机上下两端分别加入轴向充磁的辅助永磁体，利用轴向聚磁，削弱端部效应，并且在定子调磁齿上加入了辅助齿，从而利用不等气隙，削弱齿槽转矩。

进一步地，所述步骤1磁动式模型可进一步将其分解成傅里叶级数的形式，如下所示：

式中，F_p(θ,t)为关于转子位置角度θ和时间t的永磁磁动势函数；P_r为转子极对数；F_pi为第i次谐波磁动势的幅值；B_r为永磁体剩磁；μ₀和μ_r分别为真空磁导率和永磁体相对磁导率；h_m为永磁体厚度；α_i为电机极弧系数；ω_r为转子角速度。

第i次谐波磁动势的幅值可改写为：

式中，F_p为等效磁动势，由等效磁路图可知，等效磁动势可改写为：

由于齿槽效应，磁导模型及其公式如下所示：

式中，Λ₀为磁导基波幅值；ε为绕组所跨槽数，集中绕组中ε＝2；Λ_m为m次谐波磁导的幅值。

磁通可以按照原有公式求得：

Φ＝B_g(θ,t)S

式中，B_g(θ,t)是空载气隙磁密分布；S为气隙面积。

每相磁链可以利用对磁通积分得到，如下式所示。

式中，D为气隙直径；L_s为电机轴向长度；N(θ)为绕组匝数关于θ的函数。

所述一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法，其特征在于，步骤2所述反电势表达式可以表示为。

进一步地，所述步骤3的优化目标函数为：

式中，cosη为功率因数；L为电机的同步电感；I为电枢电流；E₀是反电势；ψ_m为相永磁磁链。

同步电感L可以改写为：

L＝L_δ+L_σ

本公开的有益效果：

1、本发明采用分裂齿带辅助齿结构，一个主齿上带有两个调制齿，一个调制齿上带有1-2个辅助齿结构，改变齿槽结构的磁阻不均匀特性，以此来削弱齿槽转矩及转矩波动。

2、本发明采用转子交替极结构，并且主永磁体分为三段结构，中间段永磁体为径向充磁方式，两侧永磁体为向中间段聚磁方式充磁，这样既可以减少永磁体的用量，又能削减永磁体自漏磁，提升电机磁链大小，进而提高电机功率因数。

3、本发明采用转子轴向分段式结构，上下两端分别利用辅助式永磁结构，分别沿轴向进行充磁，使得端部效应减弱，端部漏磁转化为主磁通，参与到转矩的生成上，进而提升转矩与功率因数。而上下端的永磁体极数与中间交替极永磁体的配比，通过分析辅助永磁体的极数和电机漏感与电机性能的关系，得到最佳的系数组合，以实现利用最少的辅助永磁材料，使电机性能达到最优。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是定子齿经过本发明方法调整的6槽20极集中绕组游标电机拓扑。

图2是本发明方法的结构爆炸图。

图3是游标电机气隙等效磁路法的平面模型图。

图4是辅助齿结构的优化参数示意图。

图5是使用本发明方法得到的三段永磁体表贴式结构。

图6是使用本发明方法得到的带有辅助永磁体结构的电机反电势原有模型的的对比。

图7是使用本发明方法得到的带有辅助永磁体结构的电机磁链与原有模型的的对比。

图8是改进后模型与原有模型的反电势对比的FFT谐波分解图。

图9是改进后模型与原有模型的磁链对比的FFT谐波分解图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

如图1-9所示，本公开提出一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法，首先通过分析游标电机中调制齿3-1上的辅助齿3-2的齿宽系数和齿距系数的影响，建立与齿槽转矩相关的目标函数，以找到削弱齿槽转矩的最佳系数组合，同时结合转子1轴向分段结构，利用辅助永磁体6，来减少端部漏磁，提高磁链和转矩大小，进而提升功率因数。

在一些公开中，所述集中绕组外转子游标电机采用6槽20极的集中绕组游标电机的拓扑结构，包括第一段转子1、第二段转子2和电机定子3，所述电机定子3安装在第一段转子1和第二段转子2内，第二段转子2与电机定子3之间安装有交替极铁芯7，第一段转子1与电机定子3之间安装有交替极主永磁体5，交替极主永磁体5上方设有辅助永磁体6；

所述电机定子3上设有调制齿3-1、辅助齿3-2，电机定子3内设有集中绕组4。

为了便于对辅助齿进行优化设计，以此来减少谐波含量，增加基波幅值，提升功率因数。定义辅助齿齿宽系数为α、辅助齿齿距系数为k；

式中，θ_z为一个辅助齿的角度；θ_y是相邻辅助齿之间的角度；n_z为辅助齿的个数。

计算过程主要包括以下几个方面：

利用磁路法建立调制极静止型磁场调制电机的磁动式-磁导模型，如图3所示。由此得到永磁磁动式函数及气隙磁导函数分别如下所示：

对气隙磁密进行进一步计算，利用气隙磁密对磁链及反电势进行推算，其表达式如下：

式中，P_f是调制齿的极数；ω_f是调制齿的磁场角速度。

游标电机的功率因数表达式如下所示，主要影响功率因数的参数是漏感、磁导及等效磁动式等。

式中，N_j为绕组函数系数。以提升功率因数为优化目标，将对主要参数漏感L_σ的函数进行参数优化。现将漏感L_σ进行分解，可知漏感L_σ分别由每相槽漏感L_slot和端部漏感L_end组合而成，可分别表示为：

式中，m为相数；Q为槽数；λ_u和λ_w分别为槽比漏磁导和端部比漏磁导；P_s为电枢绕组极对数；L_w为端部绕组的轴向长度。

在一些公开中，改变辅助齿齿宽系数为α和齿距系数k的值，对目标函数进行优化计算。忽略磁饱和现象，将上述解析方法与遗传算法及有限元算法相结合，得出最佳辅助齿齿宽系数与齿距系数，以提升反电势及磁链的基波赋值，削弱谐波影响，提升功率因数。

为了减少永磁体的自漏磁和端部漏磁效应，削弱偶次谐波，将采用转子轴向分段的方式，在转子的顶部及底部增加辅助永磁体，按轴向充磁，这样可以充分利用端部漏磁，以便提升功率因数；为了进一步减少永磁体自漏磁，现将交替极永磁体分为三段式结构，中间部位永磁体为径向充磁方式，两侧永磁体为按照一定聚磁角度进行径向充磁，这样自漏磁会极大缩减，功率因数会进一步提升。

进一步地；在一种实施例中，电机采用表贴式结构，原始结构的空载漏磁系数为1.475；在永磁体用料相等的情况下，将永磁体分段，经过算法优化，得出辅助式永磁体与主永磁体所对应圆弧角比为1：9.65时，弱磁系数降为1.09，并且转矩最大。

所提出模型和方法与现有模型仿真出的结果对显示加入两侧和轴向辅助永磁体后，磁链和反电势正弦度和基波幅值均有提升，说明端部漏磁和永磁体自漏磁被改善很多，根据计算，最终功率因数也会提升。

工作原理

通过解析计算和有限元结合的方法得到最佳的调制极系数组合；集中绕组磁场调制电机的转子在轴向上分为两段，两段的永磁体均为交替极结构，且每极永磁体分为三小块，以此来抑制永磁体的自漏磁；在端部加入辅助永磁体，抑制电机端部漏磁，削弱磁链谐波。本发明涉及的抑制漏磁，提高功率因数的方法操作简单、效果明显，可以减少漏磁，有效提升永磁电机的功率因数。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本公开的基本原理、主要特征和本公开的优点。本行业的技术人员应该了解，本公开不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本公开的原理，在不脱离本公开精神和范围的前提下，本公开还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本公开范围内。

Claims (5)

1.一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：利用傅里叶级数建立调制极静止型磁场调制电机的磁动式-磁导模型；

步骤2：对磁动式-磁导模型进行分析计算，分别求得游标电机反电势、电枢磁动式等函数表达式；

步骤3：根据反电势、磁导等公式计算得到磁链，并由磁链推导出关于功率因数的函数表达式，以提升功率因数为优化目标函数进行参数优化，求解参数在功率因数中所占权重值，建立优化目标函数；

步骤4：优化后将单极主永磁体分为三段，现采用解析法，改变优化目标函数中三段永磁体宽度、厚度等参数，计算优化目标函数值。

2.根据权利要求1一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法，其特征在于，所述单极主永磁体分为三段，辅助式永磁体与主永磁体所对应圆弧角比为1：9.65。

3.一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法，其特征在于，所述电机上下两端分别加入轴向充磁的辅助永磁体，所述定子调磁齿上加入了辅助齿，辅助齿为不等齿宽结构，依据谐波阶数对其深度与宽度进行调整。

4.根据权利要求1所述一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法，其特征在于，所述步骤1所述磁动式模型可进一步将其分解成傅里叶级数的形式，如下所示：

式中，F_p(θ,t)为关于转子位置角度θ和时间t的永磁磁动势函数；P_r为转子极对数；F_pi为第i次谐波磁动势的幅值；B_r为永磁体剩磁；μ₀和μ_r分别为真空磁导率和永磁体相对磁导率；h_m为永磁体厚度；α_i为电机极弧系数；ω_r为转子角速度；

第i次谐波磁动势的幅值可改写为：

式中，F_p为等效磁动势，由等效磁路图可知，等效磁动势可改写为：

由于齿槽效应，磁导模型及其公式如下所示：

式中，Λ₀为磁导基波幅值；ε为绕组所跨槽数，集中绕组中ε＝2；Λ_m为m次谐波磁导的幅值；

磁通可以按照原有公式求得：

Φ＝B_g(θ,t)S

式中，B_g(θ,t)是空载气隙磁密分布；S为气隙面积；

每相磁链可以利用对磁通积分得到，如下式所示；

式中，D为气隙直径；L_s为电机轴向长度；N(θ)为绕组匝数关于θ的函数；

根据权利要求1中所述一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法，其特征在于，步骤2所述反电势表达式可以表示为；

5.根据权利要求1中所述一种集中绕组外转子游标电机提升功率因数的方法，其特征在于，所述步骤3所述的优化目标函数为：

式中，cosη为功率因数；L为电机的同步电感；I为电枢电流；E₀是反电势；ψ_m为相永磁磁链；

同步电感L可以改写为：

L＝L_δ+L_σ

式中，L_δ为同步主电感；L_σ为同步漏电。

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