CN117060615A - 一种永磁电机及其转矩脉动和电磁振动噪声削弱方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种永磁电机及其转矩脉动和电磁振动噪声削弱方法，包括定子、转子和电枢绕组；所述转子包括铁芯和永磁体；其中，所述转子套装在所述定子的内部，与定子同轴布设，所述定子内设置有电枢绕组；所述转子铁芯表面设置有组合辅助槽，所述组合辅助槽包括浅辅助槽和深辅助槽，所述深辅助槽叠加在所述浅辅助槽上。本发明在永磁电机的转子表面设置组合辅助槽能够实现齿槽转矩、电流谐波的同步削弱，有效抑制永磁电机的转矩脉动和电磁振动噪声，通过对组合辅助槽位置、尺寸的精准设计，能够完成关键阶次、频率的径向力波消除，降低永磁电机的电磁振动噪声，对于提升永磁电机力能品质具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种永磁电机及其转矩脉动和电磁振动噪声削弱方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着永磁材料耐高温性能的提高与价格的降低，永磁电机在国防、工业、农业与日常生活中得到了广泛的应用，正在向大功率化，高功能化和微型化方向发展，永磁电机的品种和应用领域也在不断扩大。目前永磁电动机的功率从几毫瓦到几千千瓦，应用范围从小到玩具电机，大到舰船牵引用到的大型永磁电机，在国民经济、日常生活、军事工业、航空航天的各个方面得到了广泛的应用。
根据永磁体的安放位置不同，永磁电机可以分为内置式永磁电机和表贴式永磁电机，其中内置式永磁电机因为更高的功率密度、效率高和动态响应能力，近年来被广泛应用于电动汽车、风力发电、伺服驱动等驱动系统和新能源发电领域。然而，内置式永磁电机的部分性能缺陷，很大程度上限制了其应用，并引起了相关领域专家学者的重视。
转矩脉动和电磁振动噪声作为影响永磁电机的力能品质的关键缺陷，主要由齿槽转矩和电流谐波引起。针对永磁电动机而言，过高的转矩脉动和电磁振动噪声，会明显降低电机的低速性能和控制精度。对于永磁发电机而言，电流谐波含量和反电势畸变程度会直接降低电能质量，威胁整个供电系统安全。对于电机系统整体而言，内置式永磁电机的转矩脉动会增加系统电磁振动噪声，甚至导致系统共振。虽然先进的控制策略可以在一定程度上缓解这些不足，但通过改变电机拓扑结构，调整关键参数，转矩脉动和电磁振动噪声更易被削弱。
齿槽转矩作为引起电磁振动噪声的主要因素之一，其由周期性磁阻转矩产生，并受气隙中交变磁场能量的影响。此外，其与永磁电机的各种参数密切相关，如转子极弧、电枢槽参数、磁极形状等。谐波电流是引起电磁振动噪声的另一个主要因素，它受到绕组形式、磁场饱和程度和控制策略的影响。目前非整距和分布式绕组通常用于降低工业中的谐波电流。然而，这些方法在削弱齿谐波电流方面是无效的，因为齿谐波电流和基波电流具有相同的绕组因数。
目前，降低永磁电机齿槽转矩、谐波电流、转矩脉动和电磁振动噪声最常用方法是定子斜槽和转子磁极分段；但是，这些方法不可避免地会增加电机生产成本、提高系统杂散损耗、引入不平衡电磁力、降低电机效率，尤其是对于定子槽数较少、电机轴向长度较短的永磁电机，这些问题会变得更为严重，传统的定子斜槽与磁极分段方法难以适用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种永磁电机及其转矩脉动和电磁振动噪声削弱方法，通过在永磁电机的转子表面设置组合辅助槽能够实现齿槽转矩、电流谐波的同步削弱，从而有效抑制永磁电机的转矩脉动和电磁振动噪声，并且通过对组合辅助槽位置、尺寸的精准设计，能够完成关键阶次、频率的径向力波消除，进一步降低永磁电机的电磁振动噪声，对于提升永磁电机力能品质具有重要意义。
根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种永磁电机，采用如下技术方案：
一种永磁电机，包括定子、转子和电枢绕组；所述转子包括铁芯和永磁体；其中，所述转子套装在所述定子的内部，与定子同轴布设，所述定子内设置有电枢绕组；所述转子铁芯表面设置有组合辅助槽，所述组合辅助槽包括浅辅助槽和深辅助槽，所述深辅助槽叠加在所述浅辅助槽上。
作为进一步的技术限定，所述组合辅助槽设置在所述永磁电机的磁极边缘或磁极中央，通过改变所述组合辅助槽的尺寸调节永磁电机的气隙磁密。
作为进一步的技术限定，所述定子采用直槽结构或斜槽结构。
作为进一步的技术限定，所述转子表面所布设的组合辅助槽的个数与所述永磁电机的极数相同，所述永磁电机的每个磁极上有且仅有一个组合辅助槽。
作为进一步的技术限定，所述组合辅助槽在所述转子表面的相邻两个磁极上的布设位置不同，所述相邻磁极和相邻的组合辅助槽关于永磁电机的q轴镜向对称；其中q轴为永磁电机的交轴。
根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种永磁电机的转矩脉动和电磁振动噪声削弱方法，采用了第一方案中所提供的永磁电机，采用如下技术方案：
一种永磁电机得转矩脉动和电磁振动噪声削弱方法，依据组合辅助槽设计规则，调整组合辅助槽的位置及尺寸参数，改变电机磁极节距和各次绕组因数，降低齿槽转矩和谐波绕组因数；进而实现在不降低基波电流的前提下削弱齿谐波，减小由电流谐波所引起的电机电磁振动噪声。
作为进一步的技术限定，所述永磁电机的齿槽转矩Tcog(α)为：
其中，La是电机的轴向长度，z是电机定子的槽数，Ror和Ris分别为转子外径和定子内径，Gm是定子齿槽结构对齿槽转矩的影响，Brn是转子磁极对齿槽转矩的影响，n为磁场的谐波次数，m为磁导的谐波次数，α为定转子相对位置角，μ0为真空磁导率。
进一步的，所述永磁电机转子表面设置组合辅助槽后，其齿槽转矩表达式中Brn的傅里叶展开式为：
其中，Br是气隙磁场傅里叶分解的幅值，θs是组合辅助槽到磁极边缘的角度，Ws是组合辅助槽的宽度,θp是电机磁极的角度，αp是电机的极弧系数，p为电机极对数，n为谐波次数。
作为进一步的技术限定，所述转子表面设置组合辅助槽的永磁电机各阶次绕组因数kwv为：
其中，Ws是组合辅助槽宽度，P为电机极对数，kpv和kdv分别是绕组的短距系数和分布系数，v是谐波磁场的阶次，q是电机每极每相的槽数，α是同一磁极下同一相绕组不同槽的电角度差值，y1和τ分别为绕组线圈节距和磁极极距。
进一步的，基于电流谐波削弱规则，通过设计所述组合辅助槽的尺寸参数，降低目标谐波的绕组因数，削弱永磁电机的电流谐波含量，降低转矩脉动和电磁振动噪声。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明中的定子采用直槽结构，转子与永磁体可采用不分段结构，与目前工业上常用的斜槽定子和分段转子相比，加工成本低，加工工艺简单，避免了不平衡磁拉力及扭振的产生，能够有效增加电机制造的效率并降低电机制造的成本。
2.本发明相较于使用传统的电磁振动噪声削弱方法(定子斜槽或转子斜极)的永磁体用量相同，不会造成功率密度下降或永磁体用量增多，铁磁材料和永磁材料的使用量与传统电机相同，不会造成电机成本的增加。
3.本发明相较于传统转子开槽方案(磁极两侧开设圆弧形辅助槽)，转子上所设置的辅助槽数量更少，对电机气隙磁密的削弱幅度更低，电机整体的效率和功率密度更高。
4.本发明相较于传统的改变绕组形式降低电流谐波的方法，极大程度上增强了对各次绕组因数调节的自由度，并且打破了电流基波与齿谐波的绑定关系，能够在不降低电流基波含量的前提下，实现电流谐波的削弱。
5.本发明能够通过调整组合辅助槽位置及尺寸参数，实现对电机共振阶激振力波的精准削弱，相较于传统的电磁振动噪声削弱方法，本发明中的电磁振动噪声消除更具针对性。
6.本发明能够被广泛的应用于各类永磁电机中，不受到永磁电机极槽配合及轴向长度的限制，可以实现电机齿槽转矩、谐波电流、电磁振动噪声的协同改善。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例中的永磁电机的结构示意图；
图2为本发明实施例中的永磁电机的组合辅助槽尺寸及拓扑示意图；
图3为本发明实施例中的永磁电机削弱齿槽转矩的原理及实施例中组合辅助槽尺寸的选取原则；
图4为本发明实施例中的永磁电机削弱电流谐波的原理及实施例中组合辅助槽尺寸的选取原则；
图5为本发明实施例中的永磁电机、传统直槽永磁电机和磁极分段永磁电机的齿槽转矩结果对比示意图；
图6为本发明实施例中的永磁电机、传统直槽永磁电机和磁极分段永磁电机的空载反电动势曲线对比示意图；
图7为本发明实施例中的永磁电机、传统直槽永磁电机和磁极分段永磁电机的转矩脉动结果对比示意图；
图8为本发明实施例中的永磁电机、传统直槽永磁电机和磁极分段永磁电机的振动加速度结果对比示意图；
其中，1、永磁体，2转子，3、电枢绕组，4、定子，5、转子表面组合辅助槽，6、浅椭圆辅助槽，7、深椭圆辅助槽。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例
本实施例涉及永磁电机转矩脉动和电磁振动噪声削弱技术领域，具体涉及一种转子表面设置组合辅助槽的永磁电机及其转矩脉动和电磁振动噪声削弱方法，主要包括定子，转子，永磁体、电枢绕组；所述定子及电枢绕组结构与常规永磁电机相同，所述转子结构与常规永磁电机转子不同。所述转子表面设置有组合辅助槽，所述组合辅助槽由两种单一辅助槽组合而成，所述转子的每个磁极上有且仅有一个组合辅助槽，并且相邻两个磁极的组合辅助槽位置不同，相邻两个组合辅助槽关于电机q轴对称，其中q为电机交轴。
具体地，一种永磁电机及其转矩脉动和电磁振动噪声削弱方法，包括永磁体1安置于于转子2内部，定子4中设置有电枢绕组3，转子表面组合辅助槽5由浅椭圆辅助槽6和深椭圆辅助槽7共同构成，相邻磁极上的组合辅助槽位于不同磁极边缘。
下面结合更为详细的实施例进一步说明如下:
如图1所示的永磁电机，内置式永磁电机相数为3，定子槽数为48，永磁体排布方式为内置式V型，转子极对数为4，且转子的各磁极表面设置有组合辅助槽。
下面为本实施例中电机的齿槽转矩削弱过程：
根据永磁电机磁共能对转子位置的偏导数计算，得到永磁电机的齿槽转矩，实施例永磁电机的齿槽转矩可以由下式进行计算：
其中，Tcog为齿槽转矩，α为磁极与电枢齿的相对位置，W为磁共能，μ0为透气性，V为机器的积分体积。Br 2(θ)和Gs 2(θ)分别是与气隙磁导和磁场分布有关的周期函数。
对电机齿槽转矩表达式进行解析和傅里叶展开，其齿槽转矩表达式可以表示为：
其中，La是电机的轴向长度，z是电机定子的槽数，Ror和Ris分别为转子外径和定子内径，Gm是定子齿槽结构对齿槽转矩的影响，Brn是转子磁极对齿槽转矩的影响，n为磁场的谐波次数，m为磁导的谐波次数，α为定转子相对位置角，μ0为真空磁导率，Gm和Brn分别是对Br 2(θ)和Gs 2(θ)进行傅里叶分解后的各阶系数。从理论上来讲，通过改变组合辅助槽的尺寸参数，当各阶的Brn均为0时，实施例电机的Tcog也会被削弱为0。下式为转子表面设置组合辅助槽后实施例电机的Brn表达式：
其中，Br是气隙磁场傅里叶分解的幅值，θs是组合辅助槽到磁极边缘的角度，Ws是组合辅助槽的宽度,θp是电机磁极的角度，αp是电机的极弧系数，p为电机极对数，n为谐波次数。如图2所示为通过解析计算得到实施例中转子表面所设置组合辅助槽的结构与参数。
下面为本实施例中电机的电流谐波的削弱过程：
与传统永磁电机定子斜槽和转子分段方式相比，本实施例利用组合辅助槽减少电流中谐波成分的原理，是通过合理设计组合辅助槽的尺寸位置，自由改变电机磁极节距和各次绕组因数，从而达到电流谐波和电磁振动噪声削弱的目的。
与传统通过改变绕组节距来改变绕组因数的方法相比，本实施例所采用的组合辅助槽参数设计的手段更为灵活，并且有效打破了电流基波与齿谐波之间的绑定关系，在不降低基波电流的前提下，实现了齿谐波的削弱，从而降低了由电流谐波所引起的电机电磁振动噪声。
本实施例中组合辅助槽位于永磁电机的磁极边缘，通过对考虑组合辅助槽参数的各阶绕组因数的解析计算，得到本实施例电机各阶绕组因数与辅助槽尺寸之间的关系式：
其中，Ws是组合辅助槽宽度，P为电机极对数，kpv和kdv分别是绕组的短距系数和分布系数，v是谐波磁场的阶次，q是电机每极每相的槽数，α是同一磁极下同一相绕组不同槽的电角度差值，y1和τ分别为绕组线圈节距和磁极极距。
由图4不同Ws对应的绕组因数，可以看出，在区域1附近实施例电机的各阶谐波绕组因数较低，并且基波绕组因数略有上升。据此结论，如图3所示，通过选取区域1附近的转子组合辅助槽参数，能够在不损失电流基波的前提下，有效降低电机的电流谐波，从而降低电机的电磁振动噪声。
根据实施例中永磁电机及其电磁振动噪声削弱方法，设计完成实施例电机，并将其与普通直槽永磁电机(整距绕组和短距绕组)、磁极分段电机进行有限元分析，结果对比分析分别如图5、图6、图7和图8所示。
如图5所示，依据本实施例上述分析设计后，所得到的实施例永磁电机与传统直槽电机、磁极分段电机的齿槽转矩对比，从中发现基于本实施例能够有效降低电机齿槽转矩，且齿槽转矩削弱效果优于目前常用的转子分段方法。
如图6所示，依据本实施例上述分析设计后，所得到的实施例永磁电机与传统直槽电机(整距绕组、短距绕组)、磁极分段电机的空载反电势对比，从中发现基于本实施例方法的实施例电机的反电势曲线更为平滑，谐波含量更少。
如图7所示，依据本实施例上述分析设计后，所得到的实施例永磁电机与传统直槽电机(整距绕组、短距绕组)、磁极分段电机的瞬态转矩对比，从中发现基于本实施例方法的实施例电机的转矩脉动更低，有效降低了电机的电磁振动噪声。
如图8所述，依据本实施例上述分析设计后，所得到的实施例永磁电机与传统直槽电机、磁极分段电机的电磁振动噪声对比，从中发现基于本实施例电机的电磁振动噪声更低，尤其是有效避免了与定子固有模态相近的电磁振动噪声。
本实施例所提供的电机及电磁振动噪声削弱方法可以应用于与多方面，现简单举例如下：
(1)家用电器领域：包括电视音像设备、风扇、空调器、食品加工机、美容工具、油烟机等。
(2)计算机及其外围设备领域：包括计算机(驱动器、风扇等)、打印机、绘图仪、光驱、光盘刻录机等。
(3)工业生产领域：包括工业驱动装置、材料加工系统、自动化设备、机器人等。
(4)汽车领域：包括永磁起动机、雨刮器电机、门锁电机、座椅升降电机、遮阳顶棚电机、清洗泵电机、录音机用电机、玻璃升降电机、散热器冷却风扇电机、空调电机、天线升降电机、油泵电机等。
(5)公共生活领域：包括钟表、美容机械、自动售货机、自动取款机、点钞机等。
(6)交通运输领域：包括电车、飞机辅助设备、舰船等。
(7)航天领域：包括火箭、卫星、宇宙飞船、航天飞机等。
(8)国防领域：包括坦克、导弹、潜艇、飞机等。
(9)医疗领域：包括牙钻、人工心脏、医疗器械等。
(10)发电领域：包括风力发电、余热发电、小型水力发电、小型内燃发电机组用发电机，以及大型发电机的副励磁机等。
本实施例中的定子采用直槽结构，转子与永磁体可采用不分段结构，与目前工业上常用的斜槽定子和分段转子相比，加工成本低，加工工艺简单，避免了不平衡磁拉力及扭振的产生，能够有效增加电机制造的效率并降低电机制造的成本。相较于使用传统的电磁振动噪声削弱方法(定子斜槽或转子斜极)的永磁体用量相同，不会造成功率密度下降或永磁体用量增多，铁磁材料和永磁材料的使用量与传统电机相同，不会造成电机成本的增加；相较于传统转子开槽方案(磁极两侧开设圆弧形辅助槽)，转子上所设置的辅助槽数量更少，对电机气隙磁密的削弱幅度更低，电机整体的效率和功率密度更高；相较于传统的改变绕组形式降低电流谐波的方法，极大程度上增强了对各次绕组因数调节的自由度，并且打破了电流基波与齿谐波的绑定关系，能够在不降低电流基波含量的前提下，实现电流谐波的削弱。本实施例能够通过调整组合辅助槽位置及尺寸参数，实现对电机共振阶激振力波的精准削弱，相较于传统的电磁振动噪声削弱方法，本实施例中的电磁振动噪声消除更具针对性；能够被广泛的应用于各类永磁电机中，不受到永磁电机极槽配合及轴向长度的限制，可以实现电机齿槽转矩、谐波电流、电磁振动噪声的协同改善。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种永磁电机，其特征在于，包括定子、转子和电枢绕组；所述转子包括铁芯和永磁体；其中，所述转子套装在所述定子的内部，与定子同轴布设，所述定子内设置有电枢绕组；所述转子铁芯表面设置有组合辅助槽，所述组合辅助槽包括浅辅助槽和深辅助槽，所述深辅助槽叠加在所述浅辅助槽上。
2.如权利要求1中所示的一种永磁电机，其特征在于，所述组合辅助槽设置在所述永磁电机的磁极边缘或磁极中央，通过改变所述组合辅助槽的尺寸调节永磁电机的气隙磁密。
3.如权利要求1中所示的一种永磁电机，其特征在于，所述定子采用直槽结构或斜槽结构。
4.如权利要求1中所示的一种永磁电机，其特征在于，所述转子表面所布设的组合辅助槽的个数与所述永磁电机的极数相同，所述永磁电机的每个磁极上有且仅有一个组合辅助槽。
5.如权利要求1中所示的一种永磁电机，其特征在于，所述组合辅助槽在所述转子表面的相邻两个磁极上的布设位置不同，所述相邻磁极和相邻的组合辅助槽关于永磁电机的q轴镜向对称；其中q轴为永磁电机的交轴。
6.一种永磁电机的转矩脉动和电磁振动噪声削弱方法，采用了如权利要求1-5中任一项所述的永磁电机，其特征在于，依据组合辅助槽设计规则，调整组合辅助槽的位置及尺寸参数，改变电机磁极节距和各次绕组因数，降低齿槽转矩和谐波绕组因数；进而实现在不降低基波电流的前提下削弱齿谐波，减小由电流谐波所引起的电机电磁振动噪声。
7.如权利要求6中所示的一种永磁电机的转矩脉动和电磁振动噪声削弱方法，其特征在于，所述永磁电机的齿槽转矩Tcog(α)为：
其中，La是电机的轴向长度，z是电机定子的槽数，Ror和Ris分别为转子外径和定子内径，Gm是定子齿槽结构对齿槽转矩的影响，Brn是转子磁极对齿槽转矩的影响，n为磁场的谐波次数，m为磁导的谐波次数，α为定转子相对位置角，μ0为真空磁导率。
8.如权利要求7中所示的一种永磁电机的转矩脉动和电磁振动噪声削弱方法，其特征在于，所述永磁电机转子表面设置组合辅助槽后，其齿槽转矩表达式中Brn的傅里叶展开式为：
其中，Br是气隙磁场傅里叶分解的幅值，θs是组合辅助槽到磁极边缘的角度，Ws是组合辅助槽的宽度,θp是电机磁极的角度，αp是电机的极弧系数，p为电机极对数，n为谐波次数。
9.如权利要求6中所示的一种永磁电机的转矩脉动和电磁振动噪声削弱方法，其特征在于，所述转子表面设置组合辅助槽的永磁电机各阶次绕组因数kwv为：
其中，Ws是组合辅助槽宽度，P为电机极对数，kpv和kdv分别是绕组的短距系数和分布系数，v是谐波磁场的阶次，q是电机每极每相的槽数，α是同一磁极下同一相绕组不同槽的电角度差值，y1和τ分别为绕组线圈节距和磁极极距。
10.如权利要求9中所示的一种永磁电机的转矩脉动和电磁振动噪声削弱方法，其特征在于，基于电流谐波削弱规则，通过设计所述组合辅助槽的尺寸参数，降低目标谐波的绕组因数，削弱永磁电机的电流谐波含量，降低转矩脉动和电磁振动噪声。
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