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一种降低永磁同步电机转矩脉动的方法技术

技术编号:15394537 阅读:185 留言:0更新日期:2017-05-19 06:24
本发明专利技术公开了一种降低永磁同步电机转矩脉动的方法,具体包括:合理选择永磁磁极重复单元的方法,一次偏移和二次偏移的偏移方式和角度计算。这些偏移法单独或多次施加于永磁磁极的重复单元,提升电机的性能。这些方法能运用于表贴、表嵌式和内嵌式永磁电机,可用于降低来源于不同转矩成分所引起的转矩脉动。永磁同步电机通过合理选择偏移单元,能够快速计算出磁极偏移的角度。偏移之后,有效的提升反电势波形的正弦度,通过各重复单元所产生转矩脉动之间的峰谷相消以减小转矩脉动各类次谐波含量,达到减小整体转矩脉动的目的。同时,在保证电机输出转矩值几乎不变的情况下,能够尽量少地引入电机振动噪声,实现最优的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种降低永磁同步电机转矩脉动的方法
本专利技术涉及到永磁同步电机的设计,特别是永磁同步电机转矩脉动的降低方法,属于电机制造的

技术介绍
现如今永磁电机已经得到了广泛的应用,从汽车到航空航天的众多领域,永磁电机都扮演着十分重要的角色。这主要得益于永磁电机的几个显著特点,包括高转矩密度、高效率以及重量体积小等。永磁电机采用了高磁能积的磁性材料取代了传统的励磁绕组,不仅消除了励磁绕组带来的负面影响,而且简化了电机的机械结构,使电机运行可靠性提高,机械损耗也相应的减小。虽然永磁电机拥有一系列的优点,但对于要求苛刻的高性能应用,如电动转向系统、伺服电机、风力发电机、电动汽车驱动系统等应用仍然面临许多困难。这些应用对电机的工作稳定性方面提出了很高的要求,即电机的输出转矩脉动要尽可能小,从而实现平稳精确的推力传动,因此研究削减齿槽转矩和输出转矩脉动是非常具有价值的。目前,对于转矩脉动的抑制,国内外都有比较深入的研究,如优化极弧系数、在转子或转子槽表面开孔、转子静态偏心等方法。这些方法普遍的一个缺点,就是电机的平均转矩会随着转矩脉动的减小而大幅下降,也就是说转矩脉动和平均转矩是两个相互掣肘的性能指标。所以,在准确分析转矩脉动来源成分的基础上减小转矩脉动的同时,如何保持转矩密度的性能不下降或者尽量将平均转矩下降值减小到最低,是需要重点研究的方向。其次,对于磁极偏移法,现有技术只针对于齿槽转矩的降低。而在目前应用广泛的内嵌式或表嵌式电机当中,转矩脉动的来源不仅仅局限于齿槽转矩,它还可能来源于永磁转矩和磁阻转矩,而齿槽转矩只占据总转矩脉动的极小部分。在此基础上,只局限于齿槽转矩的分析是远远不够的。所以,如何快速准确有效地降低转矩脉动中的主要来源成分,是需要重点研究的方向。
技术实现思路
本专利技术的目的是,提出了一种尽量减少平均转矩损失的转矩脉动抑制方法。在准确分析转矩脉动来源成分的基础上,合理选择永磁磁极的重复单元并将其间隔性偏移,在有效降低转矩脉动的基础上,综合考虑永磁转矩和磁阻转矩成分,削弱转子不对称对转矩出力的影响,减小平均转矩的损失。同时,有效地降低不对称转子对电机的振动噪声产生的影响。本专利技术采用的技术方案是:降低永磁同步电机转矩脉动的方法,包括以下步骤:步骤l,对目标电机的极槽配比进行分析,根据转子极数和定子槽数的关系,计算一个电周期内转矩脉动的波动周期数,确定其总体波动趋势;步骤2,计算能够产生相同转矩的最小磁极数N0,将电机转子和永磁体模块化;通过模块化分析,使得每个模块中的永磁磁极能够产生相同的转矩,包括转矩幅值和相位,在此前提下,保证模块中的磁极数最少,并以此作为一个基本重复单元;步骤3,将两个或多个基本重复单元合并,组成新的重复单元,这些新的重复单元同样可以产生相同的转矩幅值和波形;确定不同新重复单元的个数,以供磁极偏移的时候选择;步骤4,分析转矩及转矩脉动主要来源成分,并对它们的产生进行模块化分析,确定转矩脉动中各个成分所产生的基本重复单元,计算各个基本重复单元中的最小磁极数Ni0;步骤5,综合考虑N0和各个Ni0,合理选择偏移重复单元;并根据所选重复单元内磁极数量b,确定重复单元数q和最大可偏移次数N;步骤6,为了削弱转矩脉动中的1次主要谐波,计算一次偏移的准确角度θ1,对所选的重复单元进行第一次偏移;步骤7,为了削弱转矩脉动中的2次主要谐波,计算二次偏移的准确角度θ2,在第一次磁极偏移的基础上,重新划分重复单元,对新的重复单元进行第二次偏移;步骤8,如果空间允许,为了削弱转矩脉动中的n次主要谐波,计算n次偏移的准确角度θn,在前n-1次偏移的基础上,进行第n次划分重复单元,并进行第n次偏移。进一步,所述步骤1中的转矩脉动的波动周期数计算公式为:其中,Tripple表示一个电周期内转矩脉动的波动周期数;Ns表示电机的槽数,Np表示电机的极对数,Nps表示电机槽数与极数的最小公倍数Nps=LCM(Ns,2Np)。进一步,所述步骤2中基本重复单元是指能够产生相同转矩波形的最小永磁磁极数,这些转矩波形具有相同的幅值和相位。进一步,所述步骤2中基本重复单元内最小永磁磁极数的计算公式为:其中,N0表示基本重复单元内的最小永磁磁极数,Ns表示电机的槽数。进一步,所述步骤3中的新的重复单元是由k个基本重复单元所组成,其永磁磁极数为kN0。进一步,所述步骤4中的转矩脉动主要来源成分包括:齿槽转矩、磁阻转矩和永磁转矩;它们相对应的基本重复单元中的最小永磁磁极数分别记为N10,N20,N30。进一步,所述步骤5中:所选重复单元内磁极数量b,重复单元数q和最大偏移次数N满足以下关系:N取整数;所选重复单元内磁极数量b,重复单元数q和最大偏移次数N确定之后,则电机总转矩则可表示为各重复单元所产生的转矩之和,即其中,Ti为各重复单元所产生的转矩。进一步,所述步骤6中,偏移的角度计算过程为:步骤6.1,电机的转矩表达式可表示为转矩均值和转矩脉动之和,具体如下:其中,Tall_av表示转矩平均值,Tall_rip表示转矩脉动,根据转矩脉动的周期性,可以将其表示成为上述傅里叶级数形式;步骤6.2,电机的转矩T可表示为各重复单元所产生的转矩Ti之和,而各分量Ti也可表示为平均值和脉动之和;在此基础上,若某个磁极重复单元被偏移θ之后,该重复单元所产生的转矩仅在相位上发生改变,即步骤6.3,最终的总的转矩脉动则为未被偏移的重复单元和已被偏移的重复单元分别产生的转矩脉动相叠加:步骤6.4,考虑转矩的平均值,则输出转矩可进一步表示为其中,Tpavj表示第j个重复单元产生的平均转矩,在磁极偏移之前,各重复单元产生的平均转矩相同,即Tpavj=Tpav;步骤6.5,永磁体重复单元被偏移之后,使得转子稍有不对称,每个重复单元的平均转矩有微小的变化,但是这种变化很小,远远低于转矩脉动的含量;具体关系如下,其中,上式中的Tr即为转矩脉动的主要成分,应作为主要分析对象;利用三角函数公式,将其化简得:步骤6.6,若想削弱转矩脉动,则需要使得Tr尽可能小,在极限情况下,Tr=0,则有偏移的角度为:或其中,θn表示消除转矩脉动中n次谐波时需要重复单元偏移的角度;当n=1时,磁极偏移θ1可消除转矩脉动中的1次主要谐波;当n=2时,磁极偏移θ2可消除转矩脉动中的2次主要谐波。进一步,所述步骤6中的一次偏移是将选择的重复单元间隔性偏移,偏移角度为θ1。进一步,所述步骤7中的二次偏移是指在一次偏移的基础上,将已被偏移的重复单元以及其相邻的一个未被偏移的重复单元作为整体,划分为新的重复单元;然后将新的重复单元间隔性偏移,偏移角度为θ2;二次偏移必须与一次偏移同方向。本专利技术采用的有益效果是:1.本专利技术中的永磁同步电机进行磁极偏移后,不局限于降低齿槽转矩带来的转矩脉动,还能够有效地减小永磁转矩或磁阻转矩带来转矩脉动,优化反电势以及减小最终的输出转矩脉动,使电机在稳定性方面有明显的提升。2.本专利技术的磁极偏移法,综合考虑产生总转矩的基本重复单元中最小磁极数N0和产生转矩脉动各个来源成分的基本重复单元中最小磁极数Ni0。在减小输出转矩脉动的情况下,保持电机的平均转矩几乎没有下降,比较全面的提高电机的性能。3.本专利技术的电机磁极偏移法中包含偏移重复单元的多种选择,能够本文档来自技高网
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一种降低永磁同步电机转矩脉动的方法

【技术保护点】
一种降低永磁同步电机转矩脉动的方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤l,对目标电机的极槽配比进行分析,根据转子极数和定子槽数的关系,计算一个电周期内转矩脉动的波动周期数,确定其总体波动趋势;步骤2,计算能够产生相同转矩的最小磁极数N

【技术特征摘要】
1.一种降低永磁同步电机转矩脉动的方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤l,对目标电机的极槽配比进行分析,根据转子极数和定子槽数的关系,计算一个电周期内转矩脉动的波动周期数,确定其总体波动趋势;步骤2,计算能够产生相同转矩的最小磁极数N0,将电机转子和永磁体模块化;通过模块化分析,使得每个模块中的永磁磁极能够产生相同的转矩,包括转矩幅值和相位,在此前提下,保证模块中的磁极数最少,并以此作为一个基本重复单元;步骤3,将两个或多个基本重复单元合并,组成新的重复单元,这些新的重复单元同样可以产生相同的转矩幅值和波形;确定不同新重复单元的个数,以供磁极偏移的时候选择;步骤4,分析转矩及转矩脉动主要来源成分,并对它们的产生进行模块化分析,确定转矩脉动中各个成分所产生的基本重复单元,计算各个基本重复单元中的最小磁极数Ni0;步骤5,综合考虑N0和各个Ni0,合理选择偏移重复单元;并根据所选重复单元内磁极数量b,确定重复单元数q和最大可偏移次数N;步骤6,为了削弱转矩脉动中的1次主要谐波,计算一次偏移的准确角度θ1,对所选的重复单元进行第一次偏移;步骤7,为了削弱转矩脉动中的2次主要谐波,计算二次偏移的准确角度θ2,在第一次磁极偏移的基础上,重新划分重复单元,对新的重复单元进行第二次偏移;步骤8,如果空间允许,为了削弱转矩脉动中的n次主要谐波,计算n次偏移的准确角度θn,在前n-1次偏移的基础上,进行第n次划分重复单元,并进行第n次偏移。2.根据权利要求l所述的一种降低永磁同步电机转矩脉动的方法,其特征在于:所述步骤l中的转矩脉动的波动周期数计算公式为:其中,Tripple表示一个电周期内转矩脉动的波动周期数;Ns表示电机的槽数,Np表示电机的极对数,Nps表示电机槽数与极数的最小公倍数Nps=LCM(Ns,2Np)。3.根据权利要求1所述的一种降低永磁同步电机转矩脉动的方法,其特征在于:所述步骤2中基本重复单元是指能够产生相同转矩波形的最小永磁磁极数,这些转矩波形具有相同的幅值和相位。4.根据权利要求1所述的一种降低永磁同步电机转矩脉动的方法,其特征在于:所述步骤2中基本重复单元内最小永磁磁极数的计算公式为:其中,N0表示基本重复单元内的最小永磁磁极数,Ns表示电机的槽数。5.根据权利要求1所述的一种降低永磁同步电机转矩脉动的方法,其特征在于:所述步骤3中的新的重复单元是由k个基本重复单元所组成,其永磁磁极数为kN0。6.根据权利要求l所述的一种降低永磁同步电机转矩脉动的方法,其特征在于:所述步骤4中的转矩脉动主要来源成分包括:齿槽转矩、磁阻转矩和永磁转矩;它们相对应的基本重复单元中的最小永磁磁极数分别记为N10,N20,N30。7.根据权利要求1所述的一种降低永磁同步电机转矩脉动的方法,其特征在于:所述步骤5中:所选重复单元内磁极数量b,重复单元数q和最大偏移次数N满足以下关系:N取整数;所选重复单元内磁极数量b,重复单元数q和最大偏移次数N确定之后,则电机总转矩则可表示为各重复单元所产生的转矩之和,即其中,Ti为各重复单元所产生的转矩。8.根据权利要求1所述的一种降低永磁同步电机转矩脉动的方法,其特征在于:所述步骤6中,偏移的角度计算过程为:步骤6.1,电机的转矩表达式可表示为转矩...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘国海杜鑫鑫赵文祥陈前胡德水
申请(专利权)人:江苏大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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