用于削弱永磁同步发电机齿槽转矩的方法技术

本发明专利技术属于永磁同步发电机技术领域，尤其涉及一种用于削弱永磁同步发电机齿槽转矩的方法。首先对永磁电机齿的形状进行优化减小齿槽转矩，其次对极弧系数进行优化，然后再用磁极偏移的方法减小齿槽转矩谐波分量达到减小齿槽转矩的目的，最后将这3种方法结合使齿槽转矩最小化，并建立了永磁电机的有限元模型，对提出的齿槽转矩抑制方法进行分析与有限元验证。有益效果在于：采用改变齿的形状、最优极弧系数法和磁极偏移的方法相结合的方法后，在永磁同步发电机其他性能影响不大的情况下，减小了发电机的齿槽转矩，进而减小了直驱永磁同步风力发电机的起动阻力矩，提高风能的利用率。

【技术实现步骤摘要】
用于削弱永磁同步发电机齿槽转矩的方法
本专利技术属于永磁同步发电机
，尤其涉及一种用于削弱永磁同步发电机齿槽转矩的方法。
技术介绍
随着永磁电机的发展，在中小型风力发电机组中，永磁式风力发电机所占的比重越来越大。齿槽转矩直接影响发电机的起动和低速运行性能。在永磁电机的运行中，齿槽转矩会引起输出转矩的脉动和噪声，特别对电机低速运行影响较大，同时也是影响系统控制精度的重要因素。齿槽转矩是永磁电机的特有问题，也是永磁电机研究的热点之一。减小永磁风力发电机齿槽转矩的方法有：槽极配合法、斜槽、斜极、辅助槽、极弧系数法、永磁体分体、优化永磁体形状等。尽管有各种不同的方法可以削弱齿槽转矩，但是其中的一些方法有明显的缺点，实际中很难广泛应用，例如,定子斜槽或转子斜极的方法，二者削弱齿槽转矩的原理类似，很难做到大规模生产加工，且采用这两种方法会使电机漏磁增加，降低转矩。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种用于削弱永磁同步发电机齿槽转矩的方法，包括：步骤1、选用分数槽集中绕组的永磁电机，确定电机槽极数，并建立分数槽集中绕组电机齿槽转矩模型；步骤2、对永磁电机齿的形状进行优化，改变定子齿顶高，使得定子齿顶的形状由均匀分布变为呈左右对称的正弦曲线形状；步骤3、对极弧系数进行分析并优化，削弱齿槽转矩；步骤4、采用磁极偏移方法，通过削弱特定的谐波次数来达到齿槽转矩最小化的目的。所述步骤1中，建立的电机齿槽转矩表达式为：式中，α是定子、转子间的相对位置角，Lef是电机的有效轴长，Bσ是永磁体产生的气隙磁密幅值，μ0为气隙磁导率，Ns是电机槽数，Np是电机极数，NL是Ns和Np的最小公倍数，R1是气隙内半径，R2是气隙外半径，b0是定子槽口宽，αp是极弧系数，αs是斜槽角度，Kskn定义为斜槽系数，n是正整数。所述步骤3包括：从式(1)得出，如果极弧系数满足式(2)时，齿槽转矩将达到最小值，从上式(2)解出对应最小齿槽转矩的αp的最优解为：在上式(3)中，k是非负整数，由于αp≠0，且αp≠1，则对应最小齿槽转矩的最优极弧系数αp为：由上式(4)得知，对用不同槽极组合和不同转子结构的永磁电机，通过选择合适的极弧系数来减小齿槽转矩，NL/Np的值越大，最优极弧系数αp的取值也就越多，加入磁通边界效应的影响，修正后的最优极弧系数为：式(5)中，由于电机气隙长度的不同，k1为常数，取值范围为[0.01,0.03]；为了增大气隙磁通密度，进而提高转矩密度，最优极弧系数的值越大越好，则选择k＝1时对应的极弧系数值。所述步骤4包括：由齿槽转矩的定义得到齿槽转矩的表达式为：式中，λg是气隙磁通，R是气隙磁阻，θ是转子位置角；由于齿槽转矩具有的周期性，将齿槽转矩表示为傅里叶级数的形式：式中，Nc是定子槽数和转子极数的最小公倍数，i是整数，Ti是傅里叶系数；电机旋转一周，齿槽转矩的周期是Nc，Nc与定子槽数和转子极数相关；将齿槽转矩看成是由一系列谐波叠加合成得到的，通过偶次谐波剩余法或奇次谐波剩余法对磁极进行偏移，削弱特定的谐波次数来达到齿槽转矩最小化。本专利技术的有益效果在于：采用改变齿的形状、最优极弧系数法和磁极偏移的方法相结合的方法后，在永磁同步发电机其他性能影响不大的情况下，减小了发电机的齿槽转矩，进而减小了直驱永磁同步风力发电机的起动阻力矩，提高风能的利用率。附图说明图1为本专利技术的方法流程图；图2为一般定子齿的形状示意图；图3为6极9槽电机A的模型图；图4为齿肩高的尺寸从2.5mm到0mm变化时气隙磁密分布图；图5a为齿的形状对齿槽转矩波形的影响示意图；图5b为齿的形状对齿槽转矩谐波的影响示意图；图6a为齿的形状改变前，极弧系数变化时6极9槽电机模型A的齿槽转矩波形图；图6b为齿的形状改变后，极弧系数变化时6极9槽电机模型A的齿槽转矩波形图；图7a为齿的形状改变前，极弧系数变化时6极9槽电机模型A的齿槽转矩谐波分析图；图7b为齿的形状改变后，极弧系数变化时6极9槽电机模型A的齿槽转矩谐波分析图；图8a为6极9槽电机在偶次谐波剩余情况下磁极偏移前示意图；图8b为6极9槽电机在偶次谐波剩余情况下磁极偏移后示意图；图9a为6极9槽电机在偶次谐波剩余情况下的齿槽转矩波形图；图9b为6极9槽电机在偶次谐波剩余情况下的齿槽转矩谐波图；图9c为6极9槽电机在偶次谐波剩余情况的齿槽转矩波形比较图；图10a为6极9槽电机在奇次谐波剩余情况下的齿槽转矩波形图；图10b为6极9槽电机在奇次谐波剩余情况下的齿槽转矩谐波图；图11a为6极9槽电机在奇次谐波剩余情况下的齿槽转矩波形图；图11b为6极9槽电机在奇次谐波剩余情况下的齿槽转矩谐波图；图11c为6极9槽电机在奇次谐波剩余情况的齿槽转矩波形比较图；图12a为6极9槽电机在偶次谐波剩余情况下齿形状改变前，磁极偏移角和极弧系数变化时齿槽转矩幅值仿真图；图12b为6极9槽电机在偶次谐波剩余情况下齿形状改变后，磁极偏移角和极弧系数变化时齿槽转矩幅值仿真图；图13a为6极9槽电机在奇次谐波剩余情况下齿形状改变前，磁极偏移角和极弧系数变化时齿槽转矩幅值仿真图；图13b为6极9槽电机在奇次谐波剩余情况下齿形状改变后，磁极偏移角和极弧系数变化时齿槽转矩幅值仿真图。具体实施方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。一种用于削弱永磁同步发电机齿槽转矩的方法，如图1所示，包括：步骤1、选用分数槽集中绕组的永磁电机，确定电机槽极数，并建立分数槽集中绕组电机齿槽转矩模型；步骤2、对永磁电机齿的形状进行优化，改变定子齿顶高，使得定子齿顶的形状由均匀分布变为呈左右对称的正弦曲线形状；步骤3、对极弧系数进行分析并优化，削弱齿槽转矩；步骤4、采用磁极偏移方法，通过削弱特定的谐波次数来达到齿槽转矩最小化的目的。齿槽转矩是由永磁体和定子齿槽相互作用产生的，齿和槽的磁阻不同且周期性变化，因此齿槽转矩也呈周期性变化。永磁电机的齿槽转矩表达式可以表示为：式中，α是定子、转子间的相对位置角，Lef是电机的有效轴长，Bσ是永磁体产生的气隙磁密幅值，μ0为气隙磁导率，Ns是电机槽数，Np是电机极数，NL是Ns和Np的最小公倍数，R1是气隙内半径，R2是气隙外半径，b0是定子槽口宽，αp是极弧系数，αs是斜槽角度，Kskn定义为斜槽系数，n是正整数。由于齿槽转矩是由永磁体和定子齿槽相互作用引起的，因此定子齿的形状对齿槽转矩有很大的影响。在设计电机之初，就应该考虑避免因为不合适的齿形状引起较大的齿槽转矩。改变定子齿的形状可减小齿槽转矩谐波，即通过改善气隙磁密的分布，尽量减少漏磁和防止铁心饱和，达到削弱齿槽转矩的目的，一般定子齿的形状如图2所示。以6极9槽极弧系数为1的外转子永磁电机模型A为实施例，如图3所示，改变定子齿顶高Tp的大小即可改变定子的形状，其余参数保持不变，Tp的变化范围从2.5mm到0mm，齿的形状由均匀分布变为呈正弦曲线形式。6极9槽电机槽数和极数的最小公倍数NL是18，因此，齿槽转矩波形的周期是20°。图4表示的是齿肩高Tp的尺寸从2.5mm到0mm变化时气隙磁密分布，Tp＝0时，气隙磁密曲线较为光滑、正弦。Tp变化时，即改变定子齿的形状对齿槽转矩的影响如图5所示，由此可知，齿的形状改变后，齿槽转矩的幅值由原来的1.30Nm降为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于削弱永磁同步发电机齿槽转矩的方法，其特征在于，包括：步骤1、选用分数槽集中绕组的永磁电机，确定电机槽极数，并建立分数槽集中绕组电机齿槽转矩模型；步骤2、对永磁电机齿的形状进行优化，改变定子齿顶高，使得定子齿顶的形状由均匀分布变为呈左右对称的正弦曲线形状；步骤3、对极弧系数进行分析并优化，削弱齿槽转矩；步骤4、采用磁极偏移方法，通过削弱特定的谐波次数来达到齿槽转矩最小化的目的。

【技术特征摘要】
1.一种用于削弱永磁同步发电机齿槽转矩的方法，其特征在于，包括：步骤1、选用分数槽集中绕组的表贴式永磁电机，确定电机槽极数，并建立分数槽集中绕组电机齿槽转矩模型；步骤2、对表贴式永磁电机齿的形状进行优化，改变定子齿顶高，使得定子齿顶的形状由均匀分布变为呈左右对称的正弦曲线形状；步骤3、对极弧系数进行分析并优化，削弱齿槽转矩；步骤4、采用磁极偏移方法，通过削弱特定的谐波次数来达到齿槽转矩最小化的目的；所述步骤1中，建立的电机齿槽转矩表达式为：式中，α是定子、转子间的相对位置角，Lef是电机的有效轴长，Bσ是永磁体产生的气隙磁密幅值，μ0为气隙磁导率，Ns是电机槽数，Np是电机极数，NL是Ns和Np的最小公倍数，R1是气隙内半径，R2是气隙外半径，b0是定子槽口宽，αp是极弧系数，αs是斜槽角度，Kskn定义为斜槽系数，n是正整数；所述步骤3包括：从式(1)得出，如果极弧系数满足式(2)时，齿槽转矩将达到最小值，从上式(2)解出对应最小齿...

【专利技术属性】
技术研发人员：王艾萌，王春梅，王慧，舒思婉，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13