CN113765251B - 一种确定削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式的方法，该方法从整数槽永磁同步电机径向振动的产生来源进行分析并设计，主要解决了整数槽永磁同步电机在空载运行、负载运行过程中存在的振动较大的问题。具体包括转子铁心及永磁体的偏移角分段斜极。当该方法作用在表贴式永磁同步电机时，对其永磁体进行分段处理；若该方法作用在内置式永磁同步电机上，则对其永磁体和转子铁心进行分段处理。当永磁电机采用该转子分段结构后，可有效抵消对电机振动起主要作用的径向力谐波分量，削弱由特定径向力谐波所引起的径向振动，优化电机转矩脉动进而提升提高电机运行稳定性、提升电机的输出品质。

Description

一种确定削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式的方法

技术领域

本发明涉及到一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式的方法，属于新型高品质低振动电机制造的技术领域。

背景技术

电动机作为新能源驱动系统的动力源在当今“碳中和”需求日益增强背景下越来越收到关注，永磁同步电机具有重量更轻，功率密度显著提升等特点，因而受到了民用和军用领域的广泛关注。为突破永磁同步电机低振动噪声的技术难题，研制出动力推进用低振动噪声永磁电机，提供低振动噪声永磁同步电机设计方法就成了亟待解决的难题。目前对于抑制永磁电机的振动噪声的研究，主要是降低电机的最低空间阶次径向电磁力幅值。除了低阶径向力外，近两年的研究表明，高阶次的径向电磁力可通过电磁力的调制效应调制成低阶次的径向力，从而对振动噪声起重要作用。

转子分段斜极技术作为一种降低电机转矩脉动的方法常应用在工业电机的设计当中，其作用机理是将转子分段错极，各转子段永磁磁场与定子铁心电枢磁场互相作用，产生幅值相同，相位不同的转矩波形。在采取特定偏移角，各转矩波形相位不同，故叠加合成后，转矩脉动得到有效抑制。该方法可参考移植，用在径向电磁力的抵消上，从而抑制永磁电机的振动噪声情况。

中国发明专利申请号CN201820683780.8公开了一种新型低噪音低振动永磁电机的定转子冲片，包括定子冲片、薄壁转子冲片。该冲片设计方法充分考虑了电机运行工况下输入电流的频率与电机固有频率之间的共振现象，从电机固有频率处着手，通过增加定子轭部和转子轭部厚度来调节固有频率，避免共振。但是该方法理论深度不足，可移植性较低，不能适应各种类型电机的运行需求，且未能充分考虑转矩脉动的抑制，因此效果一般。

中国发明专利申请号CN202010006675.2公开了一种多相斜槽移极低振动噪声永磁电机，该发明电机应用定子斜槽技术，对气隙合成磁场的谐波含量具有抑制效果，能够降低齿槽转矩并降低转矩脉动，进而进一步的抑制电机振动。但是该方法具有局限性，一是不能很好的抑制轴向不平衡电磁力的作用，若电机体积较大时，高速运行会产生轴向偏移。二是斜槽工艺加工精度要求高，加工困难，绕线复杂。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术的不足，提出了一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式的方法，该方法易于加工，可移植性强，对于整数槽永磁电机而言，削弱电机振动效果显著。此外，该结构还可以进一步削弱转矩脉动，优化电磁性能，兼顾了降低振动和改善转矩性能，大大提升了电机运行的平稳性。

具体地说，本发明是采用以下的技术方案来实现的：一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式的方法，具体步骤方法如下：

步骤1，根据整数槽电机的使用工况，确立电机的尺寸大小，具体包括电机的定子尺寸、转子尺寸以及永磁体的排列安置方式，再选择合适的槽极配合；

步骤2，设计阶段，须对该整数槽永磁电机进行有限元建模，确立该电机的各项材料属性，并进行有限元仿真，获取该电机的电磁性能参数，观察电机的气隙合成磁通密度分布和空间二维径向电磁力分布；

步骤3，确定了气隙磁通密度和径向力的主要谐波分量后，从理论上分析其谐波产生来源，预测其对电机振动产生的主要影响，将有限元仿真得出的电磁计算结果导入到声学边界元软件，进一步验证电机中的主要振动分量和预测的吻合度；

步骤4，根据振动分量中较大部分进行溯源分析，分析与其对应的径向力成分，并从理论上推导转子分段对特定阶次径向力的削弱机理；

步骤5，分析不同分段数、不同偏移角度对原转子结构下的振动削弱能力，选择最优的方案确立为最终优化方案。

进一步，所述步骤1中整数槽电机的使用工况为车用永磁驱动工况，电机的定子尺寸包括定子外径，定子内径以及定子齿的主要参数；转子尺寸包括转子外径，转子内径；永磁排列安置方式在所述实施例中为V型内嵌式排列方式；根据整数槽永磁电机的具体设计要求，所述实施例中，电机定子铁心的外径为430mm，定子铁心内径为340mm，转子铁心外径为338mm，转子铁心内径为285mm。电机的定子槽数为72槽，转子极数为12极，绕组绕制方式为双层整数槽跨距，短距绕组跨距为5；

进一步，所属步骤2中，电机的各项材料属性包括定转子及永磁体使用的各项材料、材料密度以及永磁体剩磁大小等参数。实施例中，电机的定子和转子材料型号为DW310-35，转子永磁体材料为N42UH，定子绕组采用铜线绕制。硅钢片DW310-35的材料密度为7450kg/m³，永磁体密度为7800kg/m³，铜线的密度为8900kg/m³。永磁体N42UH剩磁大小为1.31T。此外，电机的电磁性能主要包括空载反电动势波形，齿槽转矩以及额定转矩等参数。由于采用整数槽结构，电机的气隙磁通密度波形和径向电磁力波形呈现周期性分布；气隙磁通密度波形周期数为转子的永磁体极对数，径向电磁力波形周期为转子的永磁体极数。

进一步，所述步骤3中，所述实施例72槽12极整数槽永磁电机中，振动噪声较大的频段出现在12倍工频处。电机的气隙磁通密度公式为：

其中，B_pm和B_arm分别表示永磁磁通密度和电枢磁通密度，F_n和F_v分别表示永磁磁动势和电枢磁动势，M表示磁场调制函数，p表示永磁体极对数，n和v表示谐波阶次系数，θ表示空间角度，t表示时间，ω_r表示空间角速度，

表示初始相位角。

所述径向电磁力的表达式为：

其中，P_r表示径向电磁力，μ₀表示真空磁导率，M₀表示磁场调制函数的直流分量，M_k表示磁场调制函数的谐波分量，F_n和F_v分别表示永磁磁动势和电枢磁动势，p表示永磁体极对数，n和v表示谐波阶次系数，θ表示空间角度，t表示时间，ω表示转子角速度，

表示初始相位角，k为定子齿槽谐波系数；Z为电机定子槽数。根据振动分量最大的12倍频处的溯源分析可知，所述实施例中72阶12倍频空间径向力谐波起主要作用；

所述步骤4中，对于整数槽永磁电机而言，槽数阶次的径向力谐波含量对电机振动的影响最大，且槽数阶径向力谐波主要是由气隙磁通密度的基波分量和气隙磁通密度的齿谐波分量相互作用产生。

进一步，所述步骤4中，转子分段后，等效合成永磁磁通密度表达式为：

其中，F_n表示永磁磁动势，M表示磁场调制函数，p表示永磁体极对数，n表示谐波阶次系数，θ表示空间角度，t表示时间，ω_r表示空间角速度，B_{pm_eq}表示等效永磁磁通密度，ε表示分段数目，γ表示分段偏移角度数，针对分段后的等效永磁磁通密度的表达式，可以得出各磁通密度谐波的相位变化，进而进一步可以得出径向电磁力的相位变化规律。变化规律如表1所示。

表1每段转子上径向力的偏移角度

进一步，所述步骤5中，进一步比较并选择合适的分段数和偏移角度，抵消合成径向力谐波，从而削弱整数槽永磁电机的振动。所述实施例中，选择了3段、4段、5段以及6段这四种情况进行比较，最终分段数确定为6段，偏移角度为0.83度时，径向力的抵消效果达到最好；

本发明具有以下收益效果：

1、本发明中永磁电机转子分段后，电机空载、负载运行状况下的振动情况削弱明显，运行稳定性有提升显著。

2、本发明在降低整数槽永磁电机振动的同时兼顾电磁性能的改善，具体表现在降低了整数槽永磁电机齿槽转矩和转矩脉动，提升了空载反电动势正弦度。

3、本发明采用的转子分段方式，加工工艺简单，可移植性高，可以克服传统减振降噪方法的局限性，适用范围广。

综上，本发明的一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式，不仅可以显著降低整数槽永磁电机的振动情况，同时还兼顾电磁性能的优化改善，应用范围广泛，加工工艺简单，并且能够克服了传统方法的加工复杂，应用范围小的局限性。

附图说明

图1(a)为本发明整数槽永磁电机径向结构示意图，图1(b)为轴向结构示意图；

图2(a)(b)(c)(d)为四种分段结构的示意图，其中本实施例采用图2(d)所示6段转子分段结构，偏移角为0.83度；

图3为不同分段数下对振动起最主要作用的径向力谐波幅值比较图；

图4为本发明整数槽永磁电机转子分段前和分段后表面振动加速度比较图；

图5为本发明整数槽永磁电机转子分段前和分段后转矩脉动对比图；

图6为本发明整数槽永磁电机分段转子设计流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。为了能够更加简单明了地说明本发明的有益效果，下面结合一个具体的整数槽永磁同步电机来进行详细的描述。

图1中各结构含义：1、转子永磁磁钢，2、永磁体槽，3、定子铁心，4、转子表面辅助槽，5、转子铁心，6、定子绕组。其中，转子永磁磁场1内嵌在永磁体槽2当中，永磁体槽2内面积较大，内嵌转子永磁磁钢后留有间隙空间。转子表面辅助槽4用以各转子段之间定位，同时，转子辅助槽也可以局部改善电机的电磁性能。转子铁心5在电机空转时用以永磁磁场导磁，减少电机的转子磁阻。而当电机负载运行时，转子铁心5也为电枢磁场在电机内部的分布提供路径。定子绕组6以整数槽短距绕制方式环绕在定子铁心3上，定子铁心3包含定子齿和定子轭部，定子绕组6缠绕在定子齿上，产生稳定的励磁磁场，定子轭部为永磁和电枢磁场的分布传递提供路径，减少磁场的流通阻碍。

本发明的一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式，具体步骤如下：

步骤1，分析整数槽电机的设计需求，本实施例中整数槽电机用于电动汽车电驱动使用，明确设计需求后，确定电机的各项尺寸参数。具体包括电机的定子铁心外径430mm，定子铁心内径340mm，以及转子铁心外径338mm，转子铁心内径285mm，电机单边气隙为1mm，采用0.85mm绝缘铜线13股并绕，采用72槽12极的槽极选择，绕组采用整数槽分布短距绕组绕制，跨距为5；

步骤2，确认电机尺寸模型上，利用商业有限元软件Ansys Maxwell对该电机进行建模分析，所述实施例中，电机的定子和转子材料型号为DW310-35，转子永磁体材料为N42UH，定子绕组采用铜线绕制。硅钢片DW310-35的材料密度为7450kg/m³，永磁体密度为7800kg/m³，铜线的密度为8900kg/m³。永磁体N42UH剩磁大小为1.31T。赋予各个部件材料属性后，进一步仿真得到该整数槽永磁电机的各项电磁性能以及径向电磁力参数；

步骤3，将仿真得出的电磁径向力数据导入至声学边界元软件LMS进行电机振动分析，为了测试数据的准确性，需要在多个工况下进行仿真验证。多工况包括：空载工况、负载工况及高速运行工况。进一步得到对振动起主要影响的频段分量，从理论上分析其产生来源，并从空间径向力的二维分解中寻找来源；

步骤4，根据振动仿真的结果可知，12倍频段处的振动较大。溯源分析得知，72阶径向力的12倍频分量较大。其中，72阶径向电磁力谐波是产生实施例72槽12极整数槽永磁电机振动的主要来源，其组成成分如表2所示：

表2 72阶径向力组成来源

表中，永磁磁场是产生72阶径向电磁力的主要来源，因此，进一步需要针对72阶径向力的产生机理对其进行削弱设计；

所述步骤4中，对于整数槽永磁电机而言，槽数阶次的径向力谐波含量对电机振动的影响最大，且槽数阶径向力谐波主要是由气隙磁通密度的基波分量和气隙磁通密度的齿谐波分量相互作用产生。

步骤5，分析不同分段数、不同偏移角度对原转子结构下的振动削弱能力，选择最优的方案确立为最终优化方案。其中，所示实施例72槽12极整数槽永磁电机中，转子不同分段数下偏移角的计算公式为：

其中a可以选取为1、2、3等等以一系列正整数，为了保证转矩损失最小，此时的偏移角系数a需要选取为1。此外，ε表示分段数。则根据分段数目的不同，偏移角γ针对不同分段数的选取如表3所示：

表3不同分段数下偏移角的选取

分别比较不同分段数和偏移角下的72阶径向力幅值和振动削弱情况，削弱效果比较如下所示：

其中，F_{skew_3}表示转子分3段后的72阶径向电磁力合力表达式，F_{skew_4}表示转子分4段后的72阶径向电磁力合力表达式，F_{skew_5}表示转子分5段后的72阶径向电磁力合力表达式，F_{skew_6}表示转子分6段后的72阶径向电磁力合力表达式，e表示数学中的自然常数，i 表示复数的虚部，π表示圆周率常数。最终选取分段数为6时，偏移角选取0.83度的转子轴向排列分布，此时的振动削弱效果最佳；

图1(a)，图1(b)为本实施例电机径向、轴向模型示意图。本电机电枢绕组采用双层短距分布绕组形式，绕组跨距为5，磁钢采用V型内置式结构，夹角为150度，永磁体材料为N42UH，定子铁心和转子铁心的材料均为DW310-35。转子表面辅助槽的主要左右是利于定位，电机的轴向分布模型可以通过转子辅助槽的位置判断分段数目和偏移角度；

图2为四种不同的转子分段结构设计示意图，图中包含四种设计方法，分别是转子分3 段、4段、5段以及6段偏移的永磁体排布方式。其中，转子分3段偏移时，偏移角为1.7度；转子分4段偏移时，偏移角为1.25度；转子分5段偏移时，偏移角为1度；转子分6段偏移时，偏移角为0.83度。这四种偏移方式均采用轴向V型排布，其效果和一字型排布相同，优势在于V型排布可以抵消轴向不平衡拉力的影响；

图3为四种不同的转子分段结构对72阶径向力幅值的抵消效果对比，从图中可以看出，采用转子分段结后，72阶径向力幅值逐步下降。具体表现在：采用3段转子结构，72 阶径向力幅值下降了50％；采用4段转子结构，下降了77.3％；采用5段转子结构，下降了79.5％；采用6段转子结构，下降了80％。因此，最终本发明结构选用了6段分段的转子结构作为最终方案，此方案下的抵消效果最优；

图4为本发明原电机和实施例电机的表面振动加速度比较图。该结果图通过实验实测生成，实验时电机的转速为1000rpm/min，此时电机带载运行，通入的正弦交流电流有效值为25A，负载转矩为80Nm左右。振动测试点在电机机壳表面，与机壳水平面相垂直的方向。从图中可以看出，采用转子6段分段结构后，电机振动尤为显著的12倍频处下降明显，其余各频率处的振动也有不同程度的削弱。因此，可以判断当采用本发明转子分段结构后，实施例72槽12极整数槽永磁电机振动削弱效果优异；

图5为本发明原电机和实施例电机转矩脉动对比图。从图中可以看出，采用本发明转子分6段结构之后，转矩脉动从原先的38％降低至5.6％，转矩脉动优化明显，且平均转矩几乎没有变化。因此，可以判断出，该转子分6段方式不仅可以有效降低实施例电机振动，还可以优化电机的整体运行性能，且不牺牲平均转矩，实用性强，可靠性高；

图6为本发明转子分段设计流程图，设计中体现了参数选取的流程，以及转子分段择优的流程，体现了设计方案的严谨性与最优性。

综上，本发明的一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式，包括对电机设计需求的分析、主要尺寸参数的分析确定，并分别对不同分段方案下的振动削弱效果定量分析；确认了最优的设计方案，还进行了气隙磁通密度及径向电磁力计算分析，判断减震效果的明显程度；比较和初始结构电机转矩情况的差别；利用实验测试法，进行计算机壳表面振动加速度测试，校对核实理论与实践的吻合度，所提供的方案可以为整数槽永磁电机抑制振动、提高电磁性能提供参考研究。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，均属于本申请所附权利要求所限定的保护范围。

Claims (5)

1.一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，根据整数槽电机的使用工况，确立电机的尺寸大小，具体包括电机的定子尺寸、转子尺寸以及永磁体的排列安置方式，再选择合适的槽极配合；

步骤2，设计阶段，须对该整数槽永磁电机进行有限元建模，确立该电机的各项材料属性，并进行有限元仿真，获取该电机的电磁性能参数，观察电机的气隙合成磁通密度分布和空间二维径向电磁力分布；

步骤3，确定了气隙磁通密度和径向电磁力的主要谐波分量后，从理论上分析其谐波产生来源，预测其对电机振动产生的主要影响，将有限元仿真得出的电磁计算结果导入到声学边界元软件，进一步验证电机中的主要振动分量和预测的吻合度；

所述步骤3中，电机的气隙磁通密度公式为：

其中，B_pm和B_arm分别表示永磁磁通密度和电枢磁通密度，F_n和F_v分别表示永磁磁动势和电枢磁动势，M表示磁场调制函数，p表示永磁体极对数，n和v表示谐波阶次系数，θ表示空间角度，t表示时间，ω_r表示空间角速度，

表示初始相位角；

所述径向电磁力的表达式为：

其中，P_r表示径向电磁力，μ₀表示真空磁导率，M₀表示磁场调制函数的直流分量，M_k表示磁场调制函数的谐波分量，F_n和F_v分别表示永磁磁动势和电枢磁动势，p表示永磁体极对数，n和v表示谐波阶次系数，θ表示空间角度，t表示时间，ω表示转子角速度，

表示初始相位角，k为定子齿槽谐波系数；Z为电机定子槽数；

步骤4，根据振动分量中较大部分进行溯源分析，分析与其对应的径向电磁力成分，并从理论上推导转子分段对特定阶次径向电磁力的削弱机理；

所述步骤4中，转子分段后，气隙合成磁通密度表达式为：

其中，F_n表示永磁磁动势，M表示磁场调制函数，p表示永磁体极对数，n表示谐波阶次系数，θ表示空间角度，t表示时间，ω_r表示空间角速度，B_{pm_eq}表示等效永磁磁通密度，ε表示分段数目，γ表示分段偏移角度数，针对分段后的等效永磁磁通密度的表达式，可以得出各磁通密度谐波的相位变化，进而进一步可以得出径向电磁力的相位变化规律；从而进一步选择合适的分段数和偏移角度，抵消合成径向力谐波，从而削弱整数槽永磁电机的振动；

步骤5，分析不同分段数、不同偏移角度对原转子结构下的振动削弱能力，选择最优的方案确立为最终优化方案。

2.根据权利要求1所述的一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式的方法，其特征在于，所述步骤1中整数槽电机的使用工况为车用永磁驱动工况，电机的定子尺寸包括定子外径，定子内径以及定子齿的主要参数；转子尺寸包括转子外径，转子内径；永磁体的排列安置方式为V型内嵌式排列方式；选用72槽定子槽搭配12转子永磁体的槽极配合。

3.根据权利要求1所述的一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式的方法，其特征在于，所述步骤2中，电机的定子和转子材料型号皆为DW310-35，转子永磁体材料为N42UH，定子绕组采用铜线绕制；永磁电机的电磁性能主要包括空载反电动势波形，齿槽转矩以及额定转矩参数；此外，整数槽永磁电机的气隙磁通密度波形和径向电磁力波形呈现周期性分布，气隙磁通密度波形周期数为转子的永磁体极对数，径向电磁力波形周期为转子的永磁体极数。

4.根据权利要求1所述的一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式的方法，其特征在于，所述步骤4中，对于整数槽永磁电机而言，槽数阶次的径向力谐波含量对电机振动的影响最大，且槽数阶次的径向力谐波主要是由气隙磁通密度的基波分量和气隙磁通密度的齿谐波分量相互作用产生。

5.根据权利要求1所述的一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式的方法，其特征在于，分段数最终确定为6段，偏移角度为0.83度。

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