CN113014007A - 一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法，所述永磁同步电机包括同轴的定子和转子铁心，该方法包括：转子铁心按轴向分为同等长度的五段转子，根据电机极对数和需要削弱的磁场谐波的阶次，以其中一段转子为基准，按顺时针或者逆时针分别扭转其余四段转子角度α1或α2，形成削弱特定阶次磁场谐波的排布方式。与现有技术相比，本发明可以自由组合五段转子在轴向上分布，产生丰富的扭转倾斜角度配合来削弱特定阶次的磁场谐波，其中多段转子轴向对称交错分布时，可以使得振动噪音达到最优。

Description

一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机技术领域，尤其是涉及一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法。
背景技术
能源危机、环境污染以及温室效应等问题的日益严重，对汽车行业提出了更高的节能减排要求，发展新能源汽车已成汽车行业变革的必然趋势。其中电动汽车科技发展“十二五”专项规划提到国家科技计划将加大力度，持续支持电动汽车科技创新。对于新能源电动汽车来说，其驱动系统的核心就是驱动电机，驱动电机性能的优劣直接决定了新能源电动汽车性能的好坏。其中永磁同步电机是一种利用转子永磁体代替电励磁的电机，具有高效率、高功率密度、高转矩密度，被广泛应用于电动汽车的驱动电机。然而，由于永磁同步电机磁路不对称引入大量谐波，导致转矩脉动增加，径向力阶次突出和振动噪音加剧，从而导致整车舒适性降低。因此，如何获得低转矩脉动、低径向力、高舒适性成为当前车用永磁无刷电机领域中亟待解决的问题。
于是基于削弱转矩脉动和径向力的转子扭转倾斜方法应运而生，其中专利CN104852491提出了一种转子扭转倾斜方法，适用于对扭转倾斜角度按照等差数列排布的转子；专利CN103746529中提出一种转子V型交错扭转倾斜方法，在轴的一侧扭转一个扭转倾斜角度，在轴的另一侧扭转同样的扭转倾斜角度，致使产生的轴向力最小，有效解决专利CN104852491带来的轴向力。然而上述专利有两个方面有待提高，一方面，等差排列的扭转倾斜角度会限制转子进一步分布；另一方面，和多段转子对应相邻定子间的定转子扭力并没有得到最大程度消除。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法，所述永磁同步电机包括同轴的定子和转子铁心，该方法包括：
转子铁心按轴向分为同等长度的五段转子，根据电机极对数和需要削弱的磁场谐波的阶次，以其中一段转子为基准，按顺时针或者逆时针分别扭转其余四段转子角度α1或α2，形成削弱特定阶次磁场谐波的排布方式。
优选的，所述α1和α2满足以下关系式：
cos(θ)+cos(θ+kpα1)+0.5cos(θ+kpα2)＝0
sin(θ)+sin(θ+kpα1)+0.5sin(θ+kpα2)＝0
其中，k为需要削弱的电谐波阶次，p为电机极对数，θ为任意电角度。
优选的，所述五段转子的扭转排布方式包括：线性扭转倾斜、V型交错扭转倾斜、V型对称扭转倾斜、M型扭转倾斜、W型扭转倾斜。
优选的，所述V型对称扭转倾斜、M型扭转倾斜、W型扭转倾斜都为轴向对称分布。
优选的，所述转子铁心按轴向依次分为第一段转子、第二段转子、第三段转子、第四段转子和第五段转子，以所述第三段转子为基准。
优选的，所述第一段转子和第五段转子扭转的方向和角度相同，所述第二段转子和第四段转子扭转的方向和角度相同。
优选的，所述五段转子中扭转角度相同的转子，扭转方向也相同。
优选的，所述转子铁心的一端设有磁钢。
优选的，所述转子的磁极沿平行于轴的方向分布，且每段转子在径向至少有一对磁极分布。
优选的，所述定子为集中式或者分布式绕组。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、设置两自由度的扭转倾斜角度，可以产生丰富的扭转倾斜角度配合来削弱特定阶次的磁场谐波，使得电机在运行时特定阶次下磁场谐波最小，从而削弱转矩谐波分量。
2、将五段转子轴向对称分布，以及相互交错分布，使得轴向力和定转子扭力达到最小，从而最优化振动噪音。
附图说明
图1为实施例中表贴式五段转子示意图；
图2为实施例中磁场特定谐波矢量示意图；
图3为实施例中转矩谐波合成矢量示意图；
图4为实施例中转子的分段排布示意图，其中(a)～(d)分别为线性扭转倾斜、V型交错扭转倾斜、V型对称扭转倾斜、M型扭转倾斜结构的排布示意图；
图5为实施例中转子的定转子扭力示意图，其中(a)～(d)分别为对应图4的(a)～(d)四种转子的定转子扭力示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本申请提出一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法，针对特定磁场谐波下，自由搭配两种扭转倾斜角度，来最优化振动噪音。永磁同步电机包括同轴的定子和转子铁心1。转子铁心1的一端设有磁钢2，磁钢2安装位置不限，包含内嵌或者表贴及所有安装形式。定子为集中式或者分布式绕组。该方法包括：
转子铁心1按轴向分为同等长度的五段转子，根据电机极对数和需要削弱的磁场谐波的阶次，以其中一段转子为基准，按顺时针或者逆时针分别扭转其余四段转子角度α1或α2，形成削弱特定阶次磁场谐波的排布方式。
两种扭转倾斜角度α1和α2可以一样或者不一样，α1和α2满足以下关系式，使得电机运行时各段产生的特定阶次磁场谐波相互抵消：
cos(θ)+cos(θ+kpα1)+0.5cos(θ+kpα2)＝0
sin(θ)+sin(θ+kpα1)+0.5sin(θ+kpα2)＝0
其中，k为需要削弱的电谐波阶次，p为电机极对数，θ为任意电角度。
转子的磁极沿平行于轴的方向分布，且每段转子在径向至少有一对磁极分布。
五段转子相互位置不限，可以自由毗邻组合。但至少应存在一种状态，使得振动噪音达到最优。
本实施例中，如图1所示，以某一永磁同步电机转子铁心1为例，磁钢2表贴于转子铁心1上。转子铁心1按轴向依次分为第一段转子11、第二段转子12、第三段转子13、第四段转子14和第五段转子15。
本实施例通过将五段转子轴向对称交错分布，使得振动噪音达到最优。因此以第三段转子13为基准，第一段转子11和第三段转子13错开扭转倾斜角度α1，第二段转子12和第三段转子13错开扭转倾斜角度α2，第五段转子15和第一段转子11扭转的方向和角度相同，第四段转子14和第二段转子12扭转的方向和角度相同。
图2为磁场谐波示意图，θ不体现在图中，以任意角度存在。本实施例中永磁同步电机的定子槽数为48，转子极数为8，则针对12阶电磁场谐波的最小扭转倾斜角度包括以下几种方案：
表1
方案1 方案2 方案3 方案4 方案5 方案6 方案7 方案8 …
α<sub>1</sub>(度) 3.147 -3.147 3.147 4.353 4.353 10.647 11.853 10.647 …
α<sub>2</sub>(度) -2.177 2.177 5.323 2.177 9.677 5.323 9.677 12.823 …
以下以方案1为例，并以方案1作为展开。
图3为方案1下的12阶电磁场谐波，即48阶齿槽转矩波形。第一段转子11和第二段转子12扭转倾斜角度为3.147度，第一段转子11和第三段转子13扭转倾斜角度为-2.177度。则第一段转子11和第五段转子15的齿槽转矩为转矩311，第二段转子12和第四段转子14的齿槽转矩为转矩312，第三段转子13的齿槽转矩为转矩313，则转子1的齿槽转矩之和为314，五段扭转倾斜后齿槽转矩得到大幅度削减。
图4为方案1下转子铁心1的排布方式。第一段转子11、第二段转子12、第三段转子13、第四段转子14、第五段转子15轴向不限分布方式，则一共有N≥27种轴向分布，其中N为正整数。图4列出最常用的四种分布方式：(a)为线性扭转倾斜，(b)为V型交错扭转倾斜，(c)为V型对称扭转倾斜，(d)为M型扭转倾斜。上述四种方式中扭转角度相同的转子，扭转方向也相同，四种扭转倾斜排布方式都可以削弱48阶次齿槽转矩，但是振动噪音效果从优到劣依次为图4中的(d)、(c)、(b)、(a)。这是因为四种排布方式对轴向力和定转子间的扭力贡献不一样，其中图4中(a)和(b)为轴向不对称，存在轴向力，而(c)和(d)轴向方向上对称，轴向力最小。
图5为针对图4四种排列方式下定子、转子扭力示意图，将定子分为和转子铁心对应的同等轴向长度的五段，分别为第一段定子31、第二段定子32、第三段定子33、第四段定子34、第五段定子35，保持定子中心线301和转子中心线101对齐，则第一段转子11、第二段转子12、第三段转子13、第四段转子14、第五段转子15施加在定子各段上的扭力分别为第一段扭力311、第二段扭力312、第三段扭力313、第四段扭力314、第五段扭力315，可以看出图5中(a)、(b)和(c)的相邻定子间的扭力不能相互抵消，(d)中相邻定子间的扭力可以相互抵消，(d)的轴向力和定转子扭力都达到最小，振动噪音效果明显。

Claims (10)

1.一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法，所述永磁同步电机包括同轴的定子和转子铁心，其特征在于，该方法包括：
转子铁心按轴向分为同等长度的五段转子，根据电机极对数和需要削弱的磁场谐波的阶次，以其中一段转子为基准，按顺时针或者逆时针分别扭转其余四段转子角度α1或α2，形成削弱特定阶次磁场谐波的排布方式。
2.根据权利要求1所述的一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法，其特征在于，所述α1和α2满足以下关系式：
cos(θ)+cos(θ+kpα1)+0.5cos(θ+kpα2)＝0
sin(θ)+sin(θ+kpα1)+0.5sin(θ+kpα2)＝0
其中，k为需要削弱的电谐波阶次，p为电机极对数，θ为任意电角度。
3.根据权利要求1所述的一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法，其特征在于，所述五段转子的扭转排布方式包括：线性扭转倾斜、V型交错扭转倾斜、V型对称扭转倾斜、M型扭转倾斜、W型扭转倾斜。
4.根据权利要求3所述的一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法，其特征在于，所述V型对称扭转倾斜、M型扭转倾斜、W型扭转倾斜都为轴向对称分布。
5.根据权利要求1所述的一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法，其特征在于，所述转子铁心按轴向依次分为第一段转子、第二段转子、第三段转子、第四段转子和第五段转子，以所述第三段转子为基准。
6.根据权利要求5所述的一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法，其特征在于，所述第一段转子和第五段转子扭转的方向和角度相同，所述第二段转子和第四段转子扭转的方向和角度相同。
7.根据权利要求1所述的一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法，其特征在于，所述五段转子中扭转角度相同的转子，扭转方向也相同。
8.根据权利要求1所述的一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法，其特征在于，所述转子铁心的一端设有磁钢。
9.根据权利要求1所述的一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法，其特征在于，所述转子的磁极沿平行于轴的方向分布，且每段转子在径向至少有一对磁极分布。
10.根据权利要求1所述的一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法，其特征在于，所述定子为集中式或者分布式绕组。
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