CN115955028A - 一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子 - Google Patents

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王亚玮
李宣
程宇航
曲荣海
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Abstract

本发明公开了一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，属于同步磁阻电机技术领域。转子由同一冲片形成的第一叠片和第二叠片组合而成，每极下有多层磁障，对于第一叠片，转子在q轴左侧的外层和内层磁障尾端相对于另一侧分别偏移Δθ1和Δθ2的角度；通过将第一叠片水平翻转180度，得到第二叠片，其单极下磁障形状与第一叠片相比关于q轴镜像对称，两种叠片相同次数的转矩谐波幅值与相位不同，以一定的比例叠加组合可使得同步磁阻电机具有较大平均转矩的同时降低转矩脉动。本发明可以实现特定次数转矩谐波的抑制，降低电机的转矩脉动。本发明对于提高同步磁阻电机的性能及其拓展应用具有重要意义。

Description

一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子
技术领域
本发明属于同步磁阻电机技术领域，更具体地，涉及一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子。
背景技术
近年来，能源危机已成为世界各国普遍关心的问题之一。据国家能源局发布的2022年1～6月全社会用电量数据显示，我国全社会用电量累计40977亿千瓦时，同比增长2.9％。这其中，我国工业用电占社会用电的70％左右。而工业生产主要用电设备为感应电机，约占工业用电的70％-80％。因此，发展高效电机对于推动节能减排、实现我国经济绿色发展有着重要的意义。
同步磁阻电机转子上无鼠笼结构，显著降低了转子的损耗，提高了电机的效率，相同功率等级下相较于感应电机损耗更低，效率和转矩密度更高，有望取代感应电机，成为新一代工业电机的主力。然而，同步磁阻电机普遍存在转矩脉动大、振动噪声较明显的问题，已成为当前同步磁阻电机研究的热点之一。
在先前的研究中，关于同步磁阻电机转矩脉动降低的主要手段包括：1.转子斜极，该方法已被普遍采用，但仍存在电机的输出转矩损失的问题，导致电机转矩密度降低；2.转子磁障几何参数的设计和优化，但由于同步磁阻电机的转子结构复杂，磁障设计难度较大，该方法普遍存在优化耗时较长的问题；3.合理选择槽极配合以及磁障层数，但该方法对于转矩脉动的抑制效果并不明显。因此，同步磁阻电机的转矩脉动问题，有待进一步研究。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，旨在提高转矩脉动的抑制效果和降低设计优化耗时。
为实现上述目的，本发明提出了一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，利用磁路等效模型，简单快速选择转子磁障尾角，采用转子冲片镜像组合的方式，降低主要次谐波的幅值，进而降低电机转矩脉动。所述转子的冲片开有多组孔槽，每组孔槽所在的区域形成磁极，所述孔槽为磁障，所述转子的冲片为不对称结构，不对称结构包括同一冲片形成的N1个第一叠片和N2个第二叠片，所述第一叠片的每个磁极的磁障关于磁极轴线不对称和磁极轴线的延长线相交于一点，第二叠片和第一叠片的单极下磁障形状关于q轴镜像对称，其特征在于，每个磁极下的磁障包括外侧磁障和内侧磁障，外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，其中，Δθ1＝|θ′1-θ1|，Δθ2＝|θ′2-θ2|。
以一台双层磁障同步磁阻电机为例，假设外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，忽略定子开槽，假设线性模型，则基于同步磁阻电机的等效磁路模型可得到转矩的表达式为：
Figure BDA0004061219190000021
其中：
Figure BDA0004061219190000022
Figure BDA0004061219190000023
ε3＝aε1   (4)
Figure BDA0004061219190000031
Figure BDA0004061219190000032
Figure BDA0004061219190000033
Figure BDA0004061219190000034
Figure BDA0004061219190000035
式中，D为转子外径，Lstk为电机叠长，g为气隙长度，p为转子极对数，Kν为ν次线电流密度幅值，tblb1和tblb2分别为外层和内层磁障等效的宽度和长度的比值，αi为电流相位角。
通过公式(1)发现转矩特性与磁障尾端角度有关，进一步可以得到各次谐波转矩的幅值和相位，选取合适的角度组合将使得电机与磁障形状对称的情形相比具有较低的转矩脉动，而平均转矩略微变化。
在上述设计方案的基础上将转子磁障尾角关于q轴作镜像对称变换，类似地可以得到转矩和各次谐波的波形，观察发现两种结构对应的主要谐波波形存在相位差，将两种转子以一定的叠长比例堆叠组合或在单个转子叠片上组合两种非对称的磁障，可使得该谐波幅值降低，电机转矩脉动进一步降低。
考虑定子开槽，通过仿真分析得到与上述类似的结论，即将非对称磁障转子叠片和其镜像对称结构组合可降低转矩主要次谐波幅值从而降低转矩脉动。N1和N2的比值等于通过等效磁路模型得到的第一叠片和第二叠片的主要次谐波幅值的比值的反比。
本发明还提供了一台三层磁障同步磁阻电机，假设外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，中间磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ3和θ3'，忽略定子开槽，假设线性模型，则基于同步磁阻电机的等效磁路模型可得到转矩的表达式为：
Figure BDA0004061219190000041
其中：
Figure BDA0004061219190000042
Figure BDA0004061219190000043
Figure BDA0004061219190000044
Figure BDA00040612191900000411
Figure BDA0004061219190000045
Figure BDA0004061219190000046
Figure BDA0004061219190000047
Figure BDA0004061219190000048
Figure BDA0004061219190000049
Figure BDA00040612191900000410
Figure BDA0004061219190000051
通过仿真分析得到与上述双层磁障同步磁阻电机类似的结论。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，其基于理论模型指导选取磁障尾端角度，并通过镜像对称结构的组合降低特定次数的转矩谐波，能够提高转子结构设计与优化速度，并且具有更明显的转矩脉动抑制效果。
附图说明
图1是本申请一实施例中非对称磁障同步磁阻电机定转子结构示意图；
图2是本申请一实施例中非对称磁障设计方案与对称磁障方案的18次转矩谐波对比；
图3是本申请一实施例中非对称磁障结构和其镜像对称结构的18次转矩谐波波形对比；
图4是本申请一实施例中由非对称磁障叠片和水平翻转后的叠片组合而成的四分之一转子结构示意图；
图5是本申请一实施例中不同结构同步磁阻电机转矩波形对比；
图6是本申请一实施例中非理想情况下的设计方案与初始方案的转矩波形对比。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提出了一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，利用磁路等效模型，简单快速选择转子磁障尾角，采用转子冲片镜像组合的方式，降低主要次谐波的幅值，进而降低电机转矩脉动。所述转子的冲片开有多组孔槽，每组孔槽所在的区域形成磁极，所述孔槽为磁障，所述转子的冲片为不对称结构，不对称结构包括同一冲片形成的N1个第一叠片和N2个第二叠片，所述第一叠片的每个磁极的磁障关于磁极轴线不对称和磁极轴线的延长线相交于一点，第二叠片和第一叠片的单极下磁障形状关于q轴镜像对称，其特征在于，每个磁极下的磁障包括外侧磁障和内侧磁障，外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，其中，Δθ1＝|θ′1-θ1|，Δθ2＝|θ′2-θ2|。
以一台双层磁障同步磁阻电机为例，假设外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，忽略定子开槽，假设线性模型，则基于同步磁阻电机的等效磁路模型可得到转矩的表达式为：
Figure BDA0004061219190000061
其中，
Figure BDA0004061219190000062
Figure BDA0004061219190000063
Figure BDA0004061219190000064
D为转子外径，Lstk为电机叠长，g为气隙长度，p为转子极对数，Kν为ν次线电流密度幅值，tblb1和tblb2分别为外层磁障和内层磁障等效的宽度和长度的比值，αi为电流相位角；
基于理论模型得到电机转矩性能与磁障尾端角度的关系，通过优化得到输出转矩较高且转矩脉动较低的角度组合θ1，θ2，θ1'和θ2'。
一台同步磁阻电机的主要参数如表3-1所示，结构示意图如图1所示。忽略定子开槽，定子相电流幅值为6.89A，当磁障对称，外层与内层磁障两侧尾端与q轴的夹角θ1和θ2分别为20度和38度时，电机平均转矩理论值为37.8Nm，转矩脉动理论值为26.5％，将磁障尾端与q轴夹角作为变量进行参数扫描，得到当θ1，θ2，θ1'和θ2'分别为19，37，20和36度时，平均转矩理论值为37.6Nm，转矩脉动理论值为17.2％，降低了约35％，两种情况的转矩谐波对比和18次转矩谐波波形对比如图2中的(a)和(b)所示，可以看出采用非对称磁障设计降低了18次谐波的幅值，这是转矩脉动降低的主要原因。
将转子叠片水平翻转180度后，此时θ1，θ2，θ1'和θ2'分别为20，36，19和37度，其他参数不变，得到电机的平均转矩理论值为37.6Nm，转矩脉动理论值为25.7％，其18次转矩谐波波形与翻转前结构对比如图3所示。将两种叠片以一定的比例组合，保持总叠长不变，如图4所示，得到平均转矩为37.6Nm，转矩脉动为15.2％，与对称磁障方案相比，转矩脉动降低了约41％，得到的有限元仿真与理论结果对比如表3-2所示。对称磁障转子结构、两种非对称磁障转子结构和组合结构对应的转矩波形仿真结果对比如图5所示。
考虑定子开槽并计及饱和，其他条件参数不变，重新选取磁障尾角θ1，θ2，θ1'和θ2'分别为20，33.5，17和37.5度，使得水平翻转后两种非对称结构的18次谐波相位相反，并通过一定比例的组合降低18次转矩谐波幅值从而降低转矩脉动，仿真结果如表3-3所示，本发明提出的结构在保证较大平均转矩的同时与对称磁障结构相比转矩脉动降低了约62％，转矩仿真波形对比如图6所示，本发明不仅可应用于不同磁障层数和磁障形状的同步磁阻电机设计，还可用以指导永磁辅助式同步磁阻电机的转子结构设计。
表3-1电机主要参数
参数名称 数值
定子外径D<sub>e</sub>/mm 155
叠长L<sub>stk</sub>/mm 105
定子内径D<sub>si</sub>/mm 98
定子槽数Q<sub>s</sub> 36
极对数p 2
气隙长度g/mm 0.3
表3-2有限元仿真与理论结果对比
Figure BDA0004061219190000081
表3-3非理想情况仿真结果
Figure BDA0004061219190000082
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，所述转子的冲片开有多组孔槽，每组孔槽所在的区域形成磁极，所述孔槽为磁障，所述转子的冲片为不对称结构，不对称结构包括同一冲片形成的N1个第一叠片和N2个第二叠片，所述第一叠片的每个磁极的磁障关于磁极轴线不对称和磁极轴线的延长线相交于一点，第二叠片和第一叠片的单极下磁障形状关于q轴镜像对称，其特征在于，每个磁极下的磁障包括外侧磁障和内侧磁障，外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，其中，Δθ1＝|θ1′-θ1|，Δθ2＝|θ2′-θ2|。
2.根据权利要求1所述的降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，其特征在于，建立同步磁阻电机的等效磁路模型如下：
Figure FDA0004061219180000011
其中，
Figure FDA0004061219180000012
Figure FDA0004061219180000013
Figure FDA0004061219180000014
D为转子外径，Lstk为电机叠长，g为气隙长度，p为转子极对数，Kν为ν次线电流密度幅值，tblb1和tblb2分别为外层磁障和内层磁障等效的宽度和长度的比值，αi为电流相位角；
基于理论模型得到电机转矩性能与磁障尾端角度的关系，通过优化得到输出转矩较高且转矩脉动较低的角度组合θ1，θ2，θ1'和θ2'。
3.根据权利要求2所述的降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，其特征在于，N1和N2的比值等于通过等效磁路模型得到的第一叠片和第二叠片的主要次谐波幅值的比值的反比。
4.一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，所述转子的冲片开有多组孔槽，每组孔槽所在的区域形成磁极，所述孔槽为磁障，所述转子的冲片为不对称结构，不对称结构包括同一冲片形成的N1个第一叠片和N2个第二叠片，所述第一叠片的每个磁极的磁障关于磁极轴线不对称和磁极轴线的延长线相交于一点，第二叠片和第一叠片的单极下磁障形状关于q轴镜像对称，其特征在于，每个磁极下有外侧磁障、中间磁障和内侧磁障，外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，中间磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ3和θ3'，Δθ1＝|θ′1-θ1|，Δθ2＝|θ′2-θ2|，Δθ3＝|θ′3-θ3|。
5.根据权利要求3所述的降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，其特征在于，建立同步磁阻电机的等效磁路模型如下：
Figure FDA0004061219180000021
其中，
Figure FDA0004061219180000022
Figure FDA0004061219180000023
Figure FDA0004061219180000024
Figure FDA0004061219180000031
基于理论模型得到电机转矩性能与磁障尾端角度的关系，通过优化得到输出转矩较高且转矩脉动较低的角度组合θ1，θ2，θ3，θ1'，θ2'和θ3'。
6.根据权利要求5所述的降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，其特征在于，N1和N2的比值等于通过等效磁路模型得到的第一叠片和第二叠片的主要次谐波幅值的比值的反比。
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CN116505683A (zh) * 2023-04-17 2023-07-28 华中科技大学 一种低转矩脉动的永磁磁阻电机转子
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