CN114899996A - 一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法。结合永磁同步电机的实际尺寸、加工精度和安装条件，确定永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数；确定永磁同步电机的各段磁极的幅值改变系数和相位改变角度；根据永磁同步电机的加工范围，设置永磁同步电机的各段磁极的轴向长度与偏斜角度的约束条件；执行使齿槽转矩谐波分量总和最小的优化算法，确定最优的各段磁极的轴向长度和偏斜角度。本发明方法得到的非均匀人字形斜磁极结构，可在消除轴向不平衡磁拉力的同时，有效降低永磁同步电机的齿槽转矩和转矩波动，具有通用性强、速度快、计算量小、准确性高的优点。

Description

一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机技术领域的一种结构设计方法，具体涉及一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法。
背景技术
永磁同步电机具有高转矩密度、高控制精度、高效率以及良好的动态性能等优点，随着永磁材料性能的不断提升，被广泛应用于机器人、数控机床等工业领域。
由定子齿槽引起磁导变化所产生的齿槽转矩，是永磁同步电机固有的问题之一。对于高性能永磁同步电机来说，齿槽转矩引发电机振动、噪声及影响电机控制精度等问题，对位置伺服的精度和平稳性产生一定的影响，进而直接影响高性能永磁同步电机及工作系统的性能。因此，分析与抑制永磁同步伺服电机的齿槽转矩成为近年来诸多学者的研究目标，是制造过程中必须解决的关键问题。
转子分段斜磁极方法是抑制永磁同步电机的齿槽转矩的一种行之有效的方法。公开号为CN102684337A的中国专利所提出的传统分段斜磁极式永磁同步电机转子，能在一定程度上削弱电机的齿槽转矩，但转子轴向存在不平衡磁拉力。公开号为CN111478474A、CN111082567A的中国专利提出了一种人字形斜磁极结构，永磁体的在轴向上对称分布，消除不平衡磁拉力，但传统分段斜磁极相比，牺牲了对齿槽转矩的削弱效果。上述专利的转子长度和偏斜角度处理设置时，均假定电机中不存在分段磁极边端效应的影响，因此对电机实际运行中的齿槽转矩的削弱效果有限。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提出了一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法，将分段磁极边端效应导致各段磁极转矩的变化进行定量分析处理，并以此进行结构设计。本发明方法同时兼具理论基础、准确性与快速性。
本发明的技术方案针对永磁同步电机的非均匀人字形斜磁极结构，具体步骤为：
1）结合永磁同步电机的实际尺寸、加工精度和安装条件，确定永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数；
2）在步骤1）确定的分段数下，确定由磁极边端效应导致的永磁同步电机的每一段磁极的幅值改变系数和相位改变角度；
3）根据永磁同步电机的加工范围，结合分段数、幅值改变系数和相位改变角度，设置永磁同步电机的各段磁极的轴向长度与偏斜角度的约束条件；
4）在步骤3）得到的约束条件下，执行使齿槽转矩谐波分量总和最小的优化算法，确定最优的各段磁极的轴向长度和偏斜角度，以此制造永磁同步电机的磁极结构。最终使得永磁同步电机的磁极形成非均匀人字形斜磁极结构。
所述步骤1）中，永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数2τ结合永磁同步电机的实际尺寸、加工精度及安装条件确定。
所述步骤2）中，第i段磁极的幅值改变系数K i 、相位改变角度β i 通过3D解析法或3D有限元方法得到。
所述步骤3）具体为：设置永磁同步电机的各段磁极的轴向长度与偏斜角度为变量，根据永磁同步电机的加工范围，结合分段数、幅值改变系数和相位改变角度，使各段磁极的总齿槽转矩的基波幅值为0，确定各段磁极在转子轴向上的长度与各段磁极在转子周向上的偏斜角度的约束条件。
所述步骤3）中，设置各段磁极在转子轴向上的长度l 1~l 2τ 和各段磁极在转子周向上偏斜角度θ 1~θ 2τ 满足以下约束条件：
l min≤l 1, l 2, …, l 2τ ≤l max
θ min≤θ 1, θ 2, …, θ 2τ ≤θ max
l 1+l 2+…+l 2τ = l total
l i =l 2τ-i+1
θ i =θ 2τ-i+1
{{∑i=1 l i K i T 10cos[N L(i-1)(θ i+ β i )]}2+{∑i=1 l i K i T 10sin[N L(i-1)(θ i+ β i )]}2}1/2= 0
其中，l 1~l 2τ 表示各段磁极在转子轴向上的长度，θ 1~θ 2τ 表示各段磁极在转子周向上偏斜角度，l i 表示第i段磁极在转子轴向上的长度，θ i 表示第i段磁极在转子周向上偏斜角度；l min、l max分别为长度l 1~l 2τ 的上、下限；θ min、θ max分别为长度θ 1~θ 2τ 的上、下限；l total为永磁同步电机转子的轴向长度；T 10为单位轴向长度永磁同步电机的齿槽转矩基波幅值；N L是电机的转子磁极数与电机定子中的槽数的最小公倍数；Ki表示第i段磁极的幅值改变系数，βi表示第i段磁极的相位改变角度，i表示磁极序号，1≤i≤2τ，公式中i 从1累加到2τ，2τ表示永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数。
所述步骤4）具体为：
根据齿槽转矩的第2~τ次谐波分量的幅值计算永磁同步电机的2~τ次齿槽转矩谐波分量总和，进而设置以下公式的目标函数：
min T cog(α) = ∑n=2 T cogn sin(nN L α+ψ n )
其中，T cog(α)表示2~τ次齿槽转矩谐波分量总和；α是定转子相对位置角；N L是极数与槽数的最小公倍数；T cogn sin(nN L α+ψ n )表示n次齿槽转矩谐波分量；n表示谐波次数，2≤n≤τ，公式中n 从2累加到τ，T cogn 表示n次转矩谐波的幅值，ψ n 为n次转矩谐波的初相角；
上述的n次转矩谐波的幅值T cogn 和初相角ψ n 具体按照以下公式获得：
T cogn = {{∑i=1 l i K i T n0cos[N L(i-1)(θ i+ β i )]}2+{∑i=1 l i K i T n0sin[N L(i-1)(θ i+ β i )]}2}1/2
ψ n = arctan{∑i=1 l i K i T n0sin[N L(i-1)(θ i+ β i )]/∑i=1 l i K i T n0cos[N L(i-1)(θ i+ β i )]}
T n0 = πN L(R2 2-R2 1)nG n B rn /4μ0
其中，T n0为单位轴向长度永磁同步电机齿槽转矩的n次谐波幅值；R 1和R 2分别为气隙的内径和外径；G n 和B rn 分别为考虑气隙长度的补偿系数和永磁体剩磁沿圆周方向分布的函数作傅里叶展开所产生的傅里叶系数；i表示磁极序号，1≤i≤2τ，公式中i 从1累加到2τ，2τ表示永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数；
以步骤3）设置的约束条件作为目标函数的约束，进行求解获得各段磁极在转子轴向上的长度与各段磁极在转子周向上的偏斜角度，作为最优的各段磁极的长度和偏斜角度。
所述的齿槽转矩是指永磁同步电机的齿和磁极之间的相互移动带来转矩。
通过本发明方法得到一种非均匀人字形斜磁极分段的永磁同步电机的磁极结构。
所述的永磁同步电机中，转子包括铁芯和磁体，铁芯为圆柱体，铁芯轴向即为转子轴向，铁芯外圆周布置磁体，磁体沿铁芯轴向分为2τ段永磁体环，每段永磁体环均由沿铁芯周向间隔均布的多个相同的磁极构成，磁极为永磁体，各磁极的极弧系数与同一段永磁体环内的磁极间的相邻间隔均相同，2τ段永磁体环以铁芯轴向中点所在的径向截面在铁芯的两端对称分布，使得处于径向截面两侧对称位置的永磁体环具有相同的轴向长度和偏移角度，其中的各个磁极布置对称布置，而在径向截面同一侧的τ个永磁体环之间的轴向长度和偏移角度均不同。
本发明通过幅值改变系数和相位改变角度的引入以及目标函数、约束条件的设置实现了非均匀人字形斜磁极结构设计，可在消除轴向不平衡磁拉力的同时有效降低永磁同步电机的齿槽转矩和转矩波动，具有通用性强、速度快、计算量小、准确性高的优点。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明方法定量处理各段磁极边端效应，为非均匀人字形斜磁极的磁极长度与偏斜角度提供了方案，也可为其他斜磁极的结构设计提供参考，具有较强的通用性。与现有的分段斜磁极结构设计方法相比，该方法基于数值计算与优化算法，避免了大范围的3D有限元仿真计算与盲目扫描，具有处理速度快、计算量小、准确性高的优点。
（2）本发明从理论上证明了磁极边端效应的存在，并同时对长度与偏斜角度两个自由度进行优化，进行了分段斜磁极齿槽转矩的削弱。
本发明得到的非均匀人字形斜磁极结构，转子轴向中心的径向截面两侧的各段永磁体环关于径向截面对称，处于轴向中心的径向截面同侧的各段永磁体环错位安装，且具有不同的轴向长度和偏移角度。与传统分段斜磁极、人字形斜磁极、正弦分段磁极相比，齿槽转矩的削弱效果更好，可以有效降低转矩脉动，提高电机性能。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为忽略分段磁极边端效应时人字形斜磁极电机齿槽转矩相量图，（a）表示齿槽转矩基波（n=1）相量图，（b）表示齿槽转矩二次谐波（n=1）相量图，（c）表示齿槽转矩三次谐波（n=3）相量图；
图3为实际的人字形斜磁极电机齿槽转矩相量图，（a）表示齿槽转矩基波（n=1）相量图，（b）表示齿槽转矩二次谐波（n=1）相量图，（c）表示齿槽转矩三次谐波（n=3）相量图；
图4为经过本发明实施例的结构设计后，实际的非均匀人字形斜磁极电机齿槽转矩相量图，（a）表示齿槽转矩基波（n=1）相量图，（b）表示齿槽转矩二次谐波（n=1）相量图，（c）表示齿槽转矩三次谐波（n=3）相量图；
图5为本发明永磁同步电机中转子实施例结构设计得到的非均匀人字形斜磁极的结构示意图；
图6为本发明实施例结构设计得到的非均匀人字形斜磁极电机与其他斜磁极电机的齿槽转矩对比图；
图7为本发明实施例结构设计得到的非均匀人字形斜磁极电机与其他斜磁极电机的转矩波动对比图；
图8为本发明实施例结构设计得到的非均匀人字形斜磁极电机与其他斜磁极电机的轴向不平衡磁拉力对比图。
具体实施方式
为了更详细地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明实施例的具体实施过程如下：
本实施例中，考虑分段磁极边端效应的永磁同步电机齿槽转矩削弱方法的流程图如图1所示。各步骤具体为
1）结合永磁同步电机的实际尺寸、加工精度和安装条件，确定永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数2τ。
2）在分段数已知的条件下，通过3D解析或有限元方法，确定由磁极边端效应导致的永磁同步电机的每一段磁极的幅值改变系数K i 和相位改变角度β i 。
3）根据永磁同步电机的加工范围，结合分段数、幅值改变系数和相位改变角度，设置永磁同步电机的各段磁极的轴向长度l 1~l 2τ 与偏斜角度的约束条件。
具体为：设置永磁同步电机的各段磁极的轴向长度与偏斜角度θ 1~θ 2τ 为变量，根据永磁同步电机的加工范围，结合分段数2τ、幅值改变系数K i 和相位改变角度β i ，使各段磁极的总齿槽转矩的基波幅值为0，确定各段磁极在转子轴向上的长度l 1~l 2τ 与各段磁极在转子周向上的偏斜角度θ 1~θ 2τ 满足以下约束条件：
l min≤l 1, l 2, …, l 2τ ≤l max
θ min≤θ 1, θ 2, …, θ 2τ ≤θ max
l 1+l 2+…+l 2τ = l total
l i =l 2τ-i+1
θ i =θ 2τ-i+1
{{∑i=1 l i K i T 10cos[N L(i-1)(θ i+ β i )]}2+{∑i=1 l i K i T 10sin[N L(i-1)(θ i+ β i )]}2}1/2= 0
其中，l 1~l 2τ 表示各段磁极在转子轴向上的长度，θ 1~θ 2τ 表示各段磁极在转子周向上偏斜角度，l i 表示第i段磁极在转子轴向上的长度，θ i 表示第i段磁极在转子周向上偏斜角度；l min、l max分别为长度l 1~l 2τ 的上、下限；θ min、θ max分别为长度θ 1~θ 2τ 的上、下限；l total为永磁同步电机转子的轴向长度；T 10为单位轴向长度永磁同步电机的齿槽转矩基波幅值；N L是转子极数与定子槽数的最小公倍数；Ki表示第i段磁极的幅值改变系数，βi表示第i段磁极的相位改变角度，i表示磁极序号，1≤i≤2τ，2τ表示永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数。
4）在3）得到的约束条件下，执行使齿槽转矩谐波分量总和最小的优化算法，确定最优的各段磁极的轴向长度和偏斜角度，以此制造永磁同步电机的磁极结构。最终使得永磁同步电机的磁极形成非均匀人字形斜磁极结构。具体为：
根据齿槽转矩的第2~τ次谐波分量的幅值计算永磁同步电机的2~τ次齿槽转矩谐波分量总和，进而设置以下公式的目标函数：
min T cog(α) = ∑n=2 T cogn sin(nN L α+ψ n )
其中，T cog(α)表示2~τ次齿槽转矩谐波分量总和；α是定转子相对位置角；N L是极数与槽数的最小公倍数；T cogn sin(nN L α+ψ n )表示n次齿槽转矩谐波分量；n表示谐波次数（2≤n≤τ），T cogn 表示n次转矩谐波的幅值，ψ n 为n次转矩谐波的初相角；
上述的n次转矩谐波的幅值T cogn 和初相角ψ n 具体按照以下公式获得：
T cogn = {{∑i=1 l i K i T n0cos[N L(i-1)(θ i+ β i )]}2+{∑i=1 l i K i T n0sin[N L(i-1)(θ i+ β i )]}2}1/2
ψ n = arctan{∑i=1 l i K i T n0sin[N L(i-1)(θ i+ β i )]/ ∑i=1 l i K i T n0cos[N L(i-1)(θ i+ β i )]}
T n0 = πN L(R2 2-R2 1)nG n B rn /4μ0
其中，T n0为单位轴向长度永磁同步电机齿槽转矩的n次谐波幅值；R 1和R 2分别为气隙的内径和外径；G n 和B rn 分别为考虑气隙长度的补偿系数和永磁体剩磁沿圆周方向分布的函数作傅里叶展开所产生的傅里叶系数，i表示磁极序号，1≤i≤2τ，2τ表示永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数。
由以上结构参数设计步骤可知，该参数设计方法中，最多只需进行1次3D有限元仿真以得到幅值改变系数K i 和相位改变角度β i ，其余优化过程中均为数值计算。该方法可以有效避免大量耗时的3D有限元仿真优化，具有较好的快速性和准确性。
当永磁同步电机的分段数2τ=6时，人字形斜磁极的各段磁极的倾斜角分别为0°，2°，4°，4°，2°，0°。在本实施例中，用相量T cogn i 表示第i块磁极的n次齿槽转矩相量，取人字形斜磁极的轴向一半进行分析，以3个相量T cogn Ⅰ、T cogn Ⅱ、T cogn Ⅲ分别代表3段磁极的齿槽转矩。
忽略磁极边端效应的人字形斜磁极的齿槽转矩相量图如图2所示，齿槽转矩基波（n=1）相量结果如图2的（a）表示，齿槽转矩二次谐波（n=1）相量结果如图2的（b）表示，齿槽转矩三次谐波（n=3）相量结果如图2的（c）。除了三次谐波与3的倍数次谐波无法被抵消之外，基波与其他谐波都被完全抵消，从而大幅减小电机的齿槽转矩。图2中：
T cogn Ⅰ=T 10 l ssin[60n×(α-0)]
T cogn Ⅱ=T 20 l ssin[60n×(α-2)]
T cogn Ⅲ=T 30 l s sin[60n×(α-4)]
其中，l s人字形斜磁极的每一段磁极在转子轴向上的长度，l s=l total/(2τ)。
实际上的人字形斜磁极的齿槽转矩相量图如图3所示，齿槽转矩基波（n=1）相量结果如图3的（a）表示，齿槽转矩二次谐波（n=1）相量结果如图3的（b）表示，齿槽转矩三次谐波（n=3）相量结果如图3的（c）。磁极的边端效应体现在：端部漏磁通会导致电机边缘两段的齿槽转矩幅值降低；磁极轴向作用的影响会导致每一段电机的齿槽转矩的幅值和相位被改变。因此，由于3D效应的影响，各段磁极产生的转矩会产生幅值变化和相位偏移，以至于矢量叠加后，基波和谐波分量均无法被完全抵消，导致电机齿槽转矩偏大。图3中：
T cogn Ⅰ=T 10 l s K 1sin{60n×[α-(0+β 1)]}
T cogn Ⅱ=T 20 l s K 2sin{60n×[α-(2+β 2)]}
T cogn Ⅲ=T 30 l s K 3sin{60n×[α-(4+β 3)]}
经本实施例所述的结构设计后，实际上的非均匀人字形斜磁极的齿槽转矩相量图如图4所示，齿槽转矩基波（n=1）相量结果如图4的（a）表示，齿槽转矩二次谐波（n=1）相量结果如图4的（b）表示，齿槽转矩三次谐波（n=3）相量结果如图4的（c）。通过改变各段磁极磁极的长度L i 与偏斜角度θ i ，尽可能弥补磁极边段效应导致的各段齿槽转矩的幅值和相位变化，使电机在磁极在轴向和周向上具有更大的优化自由度。当选择合适的L i 与θ i 时，齿槽转矩基波被完全相互抵消，谐波的总幅值有明显下降。图4中：
T cogn Ⅰ=T 10 l 1 K 1sin{60n×[α-(0+β 1)]}
T cogn Ⅱ=T 20 l 2 K 2sin{60n×[α-(2+β 2)]}
T cogn Ⅲ=T 30 l 3 K 3sin{60n×[α-(4+β 3)]}
如图5所示，结构设计得到的非均匀人字形斜磁极结构中，转子包括转子铁芯和永磁体1~6，磁体沿转子铁芯轴向分为2τ段，各永磁体的极弧系数与同一段永磁体环内的永磁体间的相邻间隔均相同，2τ段永磁体环以转子铁芯轴向中点所在的沿径向截面对称分布，处于该截面两侧对称位置的永磁体环之间具有相同的轴向长度和偏移角度，而在截面一侧的τ个永磁体环之间的轴向长度和偏移角度均不同。
在本发明的实施例中，采用12槽10极永磁同步电机，其中转子永磁体的分段数2τ=6。图6所示是永磁同步电机不同形状磁极下齿槽转矩波形对比图，其中包括传统磁极、传统分段斜磁极、人字形斜磁极和本实施例所提出的非均匀人字形斜磁极。由图可见，非均匀人字形斜磁极可以最大程度削弱齿槽转矩的峰峰值。表1所列即为上述不同形状磁极下齿槽转矩峰峰值的具体数值。与传统分段斜磁极相比，本实施例所采用的非均匀人字形斜磁极结构可以将齿槽转矩峰峰值降低约50%，在不增加永磁体用量的情况下，大幅降低齿槽转矩。
表1 不同形状磁极下齿槽转矩峰峰值对比
Figure 104397DEST_PATH_IMAGE001
图7所示是永磁同步电机不同形状磁极下负载转矩波形对比图。由图可见，与未斜磁极的传统磁极相比，传统分段斜磁极、人字形斜磁极和本实施例的非均匀人字形斜磁极的平均转矩都略有降低，非均匀人字形斜磁极的转矩波动最小，且不会过多降低平均转矩的输出值。
表2所列为上述不同形状磁极下额定转矩平均值与转矩波动的对比。非均匀人字形斜磁极的转矩波动与传统磁极、传统分段斜磁极、人字形斜磁极相比，转矩波动降低了73%、22%和43%，且不会过多降低平均转矩。本实施例所提出的非均匀人字形斜磁极可以在不过多牺牲平均转矩的基础上，大幅削弱转矩脉动。
表2 不同形状磁极下额定转矩平均值对比
Figure 224800DEST_PATH_IMAGE002
图8所列为上述不同形状磁极下轴向不平衡磁拉力的对比。传统磁极、人字形斜磁极、本实施例的非均匀人字形斜磁极的转子具有轴向上的对称结构，在额定负载情况下几乎不存在轴向不平衡磁拉力。传统分段斜磁极的转子结构在轴向上不对称，因此在同等负载情况下有比较明显的轴向不平衡磁拉力。因此，非均匀人字形斜磁极电机在齿槽转矩减小的同时，消除了轴向不平衡磁拉力。
由此实施可见，本发明方法定量处理各段磁极边端效应，为非均匀人字形斜磁极的磁极长度与偏斜角度提供了方案，也可为其他斜磁极的结构设计提供参考，具有较强的通用性。与现有的分段斜磁极结构设计方法相比，该方法基于数值计算与优化算法，避免了大范围的3D有限元仿真计算与盲目扫描，具有处理速度快、计算量小、准确性高的优点。经本发明的结构设计得到的非均匀人字形永磁同步电机，既可以得到比传统分段斜磁极更小的齿槽转矩和转矩波动，又因为采用轴向对称结构抵消了轴向不平衡磁拉力，减小了电机的噪声与振动，大幅提高电机的综合性能。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法，其特征在于，方法针对永磁同步电机的非均匀人字形斜磁极结构，方法的具体步骤为：
1）结合永磁同步电机的实际尺寸、加工精度和安装条件，确定永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数；
2）在步骤1）确定的分段数下，确定永磁同步电机的每一段磁极的幅值改变系数和相位改变角度；
3）根据永磁同步电机的加工范围，结合分段数、幅值改变系数和相位改变角度，设置永磁同步电机的各段磁极的轴向长度与偏斜角度的约束条件；
4）在步骤3）得到的约束条件下，执行使齿槽转矩谐波分量总和最小的优化算法，确定最优的各段磁极的轴向长度和偏斜角度。
2.根据权利要求1所述的一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法，其特征在于：所述步骤2）中，第i段磁极的幅值改变系数K i 、相位改变角度β i 通过3D解析法或3D有限元方法得到。
3.根据权利要求1所述的一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法，其特征在于：所述步骤3）具体为：设置永磁同步电机的各段磁极的轴向长度与偏斜角度为变量，根据永磁同步电机的加工范围，结合分段数、幅值改变系数和相位改变角度，使各段磁极的总齿槽转矩的基波幅值为0，确定各段磁极在转子轴向上的长度与各段磁极在转子周向上的偏斜角度的约束条件。
4.根据权利要求3所述的一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法，其特征在于：所述步骤3）中，设置各段磁极在转子轴向上的长度l 1~l 2τ 和各段磁极在转子周向上偏斜角度θ 1~θ 2τ 满足以下约束条件：
l min≤l 1, l 2, …, l 2τ ≤l max
θ min≤θ 1, θ 2, …, θ 2τ ≤θ max
l 1+l 2+…+l 2τ = l total
l i =l 2τ-i+1
θ i =θ 2τ-i+1
{{∑ i=1 l i K i T 10cos[N L(i-1)(θ i+ β i )]}2+{∑ i=1 l i K i T 10sin[N L(i-1)(θ i+ β i )]}2}1/2= 0
其中，l 1~l 2τ 表示各段磁极在转子轴向上的长度，θ 1~θ 2τ 表示各段磁极在转子周向上偏斜角度，l i 表示第i段磁极在转子轴向上的长度，θ i 表示第i段磁极在转子周向上偏斜角度；l min、l max分别为长度l 1~l 2τ 的上、下限；θ min、θ max分别为长度θ 1~θ 2τ 的上、下限；l total为永磁同步电机转子的轴向长度；T 10为单位轴向长度永磁同步电机的齿槽转矩基波幅值；N L是电机的转子磁极数与电机定子中的槽数的最小公倍数；Ki表示第i段磁极的幅值改变系数，βi表示第i段磁极的相位改变角度，i表示磁极序号，1≤i≤2τ，2τ表示永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数。
5.根据权利要求1所述的一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法，其特征在于：所述步骤4）具体为：
根据齿槽转矩的第2~τ次谐波分量的幅值计算永磁同步电机的2~τ次齿槽转矩谐波分量总和，进而设置以下公式的目标函数：
min T cog(α) = ∑τ n=2T cogn sin(nN L α+ψ n )
其中，T cog(α)表示2~τ次齿槽转矩谐波分量总和；α是定转子相对位置角；N L是极数与槽数的最小公倍数；T cogn sin(nN L α+ψ n )表示n次齿槽转矩谐波分量；n表示谐波次数，2≤n≤τ，T cogn 表示n次转矩谐波的幅值，ψ n 为n次转矩谐波的初相角；
上述的n次转矩谐波的幅值T cogn 和初相角ψ n 具体按照以下公式获得：
T cogn = {{∑2τ i=1l i K i T n0cos[N L(i-1)(θ i+ β i )]}2+{∑2τ i=1l i K i T n0sin[N L(i-1)(θ i+ β i )]}2}1/2
ψ n = arctan{∑2τ i=1l i K i T n0sin[N L(i-1)(θ i+ β i )]/∑2τ i=1l i K i T n0cos[N L(i-1)(θ i+ β i )]}
T n0 = πN L(R2 2-R2 1)nG n B rn /4μ0
其中，T n0为单位轴向长度永磁同步电机齿槽转矩的n次谐波幅值；R 1和R 2分别为气隙的内径和外径；G n 和B rn 分别为考虑气隙长度的补偿系数和永磁体剩磁沿圆周方向分布的函数作傅里叶展开所产生的傅里叶系数；
以步骤3）设置的约束条件作为目标函数的约束，进行求解获得各段磁极在转子轴向上的长度与各段磁极在转子周向上的偏斜角度，作为最优的各段磁极的长度和偏斜角度。
6.根据权利要求1所述的一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法，其特征在于：所述的永磁同步电机中，转子包括铁芯和磁体，铁芯外圆周布置磁体，磁体沿铁芯轴向分为2τ段永磁体环，每段永磁体环均由沿铁芯周向间隔均布的多个相同的磁极构成，各磁极的极弧系数与同一段永磁体环内的磁极间的相邻间隔均相同，2τ段永磁体环以铁芯轴向中点所在的径向截面在铁芯的两端对称分布，而在径向截面同一侧的τ个永磁体环之间的轴向长度和偏移角度均不同。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118157351A (zh) * 2024-04-24 2024-06-07 武汉麦迪嘉机电科技有限公司 一种自起动的异步转子永磁化电机及其制造方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001037113A (ja) * 1999-07-23 2001-02-09 Seiko Instruments Inc ブラシレスモータ
JP2002359955A (ja) * 2001-05-30 2002-12-13 Toshiba Corp 永久磁石式回転電機の回転子の製造方法
JP2009118739A (ja) * 2002-10-18 2009-05-28 Mitsubishi Electric Corp 永久磁石式回転電機の製造方法および永久磁石式回転電機
JP2014064413A (ja) * 2012-09-21 2014-04-10 Denso Corp ロータおよび回転電機
CN104852491A (zh) * 2015-05-14 2015-08-19 无锡信捷电气股份有限公司 一种永磁同步电机磁钢分段斜极角的设计方法
CN107196433A (zh) * 2017-05-25 2017-09-22 华中科技大学 一种减少永磁电机齿槽转矩的装置、永磁电机及方法
CN109904999A (zh) * 2019-03-26 2019-06-18 山东大学 抑制分数槽永磁电机固有轴电压的转子分段斜极设计方法及系统
KR102062461B1 (ko) * 2018-07-30 2020-02-20 한국교통대학교산학협력단 마그네틱 기어드 동기전동기의 코깅토크 저감을 위한 스큐각 도출 방법
WO2020244269A1 (zh) * 2019-06-06 2020-12-10 北京金风科创风电设备有限公司 磁极模块及用于永磁电机的转子
CN113014007A (zh) * 2019-12-20 2021-06-22 上海电驱动股份有限公司 一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法
CN113300514A (zh) * 2021-05-28 2021-08-24 浙江大学先进电气装备创新中心 转子磁极非均匀分段的永磁同步电机及其优化设置方法
CN113765251A (zh) * 2021-08-26 2021-12-07 江苏大学 一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式的方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001037113A (ja) * 1999-07-23 2001-02-09 Seiko Instruments Inc ブラシレスモータ
JP2002359955A (ja) * 2001-05-30 2002-12-13 Toshiba Corp 永久磁石式回転電機の回転子の製造方法
JP2009118739A (ja) * 2002-10-18 2009-05-28 Mitsubishi Electric Corp 永久磁石式回転電機の製造方法および永久磁石式回転電機
JP2014064413A (ja) * 2012-09-21 2014-04-10 Denso Corp ロータおよび回転電機
CN104852491A (zh) * 2015-05-14 2015-08-19 无锡信捷电气股份有限公司 一种永磁同步电机磁钢分段斜极角的设计方法
CN107196433A (zh) * 2017-05-25 2017-09-22 华中科技大学 一种减少永磁电机齿槽转矩的装置、永磁电机及方法
KR102062461B1 (ko) * 2018-07-30 2020-02-20 한국교통대학교산학협력단 마그네틱 기어드 동기전동기의 코깅토크 저감을 위한 스큐각 도출 방법
CN109904999A (zh) * 2019-03-26 2019-06-18 山东大学 抑制分数槽永磁电机固有轴电压的转子分段斜极设计方法及系统
WO2020244269A1 (zh) * 2019-06-06 2020-12-10 北京金风科创风电设备有限公司 磁极模块及用于永磁电机的转子
CN113014007A (zh) * 2019-12-20 2021-06-22 上海电驱动股份有限公司 一种适用于永磁同步电机的转子扭转倾斜方法
CN113300514A (zh) * 2021-05-28 2021-08-24 浙江大学先进电气装备创新中心 转子磁极非均匀分段的永磁同步电机及其优化设置方法
CN113765251A (zh) * 2021-08-26 2021-12-07 江苏大学 一种削弱整数槽永磁电机振动的转子分段方式的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨思雨，夏长亮，王慧敏，史婷娜: ""磁极分段型表贴式永磁电机建模与分析"", 《电工技术学报》 *
罗宏浩等: "永磁电机齿槽转矩的谐波分析与最小化设计", 《电机与控制学报》 *
黄燕涛等: "内置式永磁电机齿槽转矩的优化设计", 《华侨大学学报(自然科学版)》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118157351A (zh) * 2024-04-24 2024-06-07 武汉麦迪嘉机电科技有限公司 一种自起动的异步转子永磁化电机及其制造方法

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