一种抑制内置式永磁电机振动并改善转矩性能的方法技术

本发明专利技术公开了一种抑制内置式永磁电机振动并改善转矩性能的方法，包括：（1）在圆柱形转子铁芯表面的q轴位置处添加辅助凹槽；（2）在定子铁芯的电枢齿和/或容错齿表面同时添加辅助凹槽。本发明专利技术通过对单层集中绕组内置式永磁电机的转子铁芯表面q轴位置和定子铁芯的定子齿表面同时添加辅助凹槽，进而影响定子齿谐波磁场和转子永磁磁场的相互作用机制，抑制径向电磁力的低阶谐波幅值，减小齿槽转矩，最终可实现单层集中绕组内置式永磁电机振动和噪声的抑制以及电机输出转矩性能的优化。

【技术实现步骤摘要】
一种抑制内置式永磁电机振动并改善转矩性能的方法
本专利技术属于永磁电机振动控制
，具体涉及一种抑制内置式永磁电机振动并改善转矩性能的方法。
技术介绍
分数槽集中绕组永磁电机因其高效率，高转矩/功率密度、低齿槽转矩和故障容错能力得到了广泛的关注和应用。然而，永磁电机的电磁振动和噪声作为其附加效应严重影响了人们的生活和工作环境，限制了永磁电机在低振动、噪声领域的应用。与双层集中绕组永磁电机相比，单层集中绕组永磁电机的电磁振动、噪声问题更加显著。一般认为电机的振动主要与电机的转矩脉动和径向电磁力波导致的振动相关。其中径向电磁力波是引起电机振动的主要原因。由永磁电机径向电磁力所引起的电磁振动和噪声，其影响因素包括：a.电机结构本身的固有频率和模态振型；b.电磁力波的幅值、空间谐波阶次、时间谐波频率。当电磁力空间谐波的阶次越低，幅值越大，电机定子系统产生的变形越大，所引起的振动、噪声也越大。因此，减小永磁电机低阶电磁力波的幅值是削弱电机电磁振动和噪声的有效途径。此外，当电磁力波的空间阶次和频率与电机结构的固有模态和频率相同时会导致电机的共振现象，恶化电机的振动和噪声问题。永磁电机的齿槽转矩与电机的槽/极数组合相关。定子齿宽相等时，齿槽转矩谐波次数等于LCM(Z1，2p)；定子齿宽不相等时，齿槽转矩谐波次数等于LCM(Z1/2，2p)，且齿槽转矩谐波次数越大，齿槽转矩越小，因此，为获得较小的齿槽转矩，所设计的永磁电机的槽/极数组合通常为近槽极数组合。永磁电机的电磁力波的空间谐波阶次与电机的槽/极数组合相关。电磁力波的最低阶空间谐波阶次等于GCD(Z1,2p)。电机的振动变形幅值与电机空间谐波阶次的4次方成反比。因此，电磁力波的最低空间谐波阶次越小，幅值越大，对电机的振动和噪声的影响越大。目前降低电机电磁振动和噪声的措施主要有：（1）槽极配合；（2）转子斜极；（3）斜槽；（4）添加辅助槽；（5）增大电动机气隙等。对于永磁电机振动抑制的研究主要集中在减小齿槽转矩和低阶径向电磁力两个方面。但现有技术存在只对单一方面的性能进行优化的问题，即，（1）近槽极数组合可减小齿槽转矩，但也会导致低阶电磁力谐波的产生，（2）减小了齿槽转矩，忽略了电机电磁力的变化；（3）减小了低阶电磁力，忽略了对齿槽转矩的影响；（4）现有的一些技术（如斜极）虽可减小电磁力和转矩脉动，但降低了电机的转矩输出能力。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种抑制内置式永磁电机振动并改善转矩性能的方法，能够保持永磁电机输出转矩不减小和转矩脉动不增大，同时减小永磁电机的齿槽转矩和低阶电磁力谐波幅值，有效的降低永磁电机的电磁振动和噪声。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种抑制内置式永磁电机振动并改善转矩性能的方法，该内置式永磁电机含有电机定子和转子两部分，在所述转子上设有内置式永磁体。首先在所述内置式永磁电机转子表面的q轴位置开设辅助凹槽，改变电机的气隙磁密谐波，可减小气隙磁密低次谐波的幅值，进而减小低阶径向力谐波幅值和齿槽转矩。所述转子辅助凹槽的最佳开口大小和开口深度可通过优化得到。（在永磁同步电机控制中，为了能够得到类似直流电机的控制特性，在电机转子上建立了一个坐标系，此坐标系与转子同步转动，取转子磁场方向为d轴，垂直于转子磁场方向为q轴，d轴和q轴代表直轴和交流。通过把定子电流分解为直轴分量和交轴分量，分别计算各自的电枢反应，从而更好地进行控制。）在所述转子开设辅助凹槽的基础上，采用的技术方案如下：一种抑制内置式永磁电机振动并改善转矩性能的方法，该内置式永磁电机含有电机定子、电机转子两部分，在所述定子上设有单层集中绕组，定子齿分为电枢齿和容错齿，在所述电机定子齿表面同时开设辅助凹槽，使径向力低阶谐波幅值降低，齿槽转矩减小。在所述电机定子齿表面开设辅助凹槽，分为三种情况：（1）在定子电枢齿表面开设辅助凹槽；（2）在定子容错齿表面开设辅助凹槽，（3）在定子电枢齿和容错齿表面开设辅助凹槽。通过在电枢齿和/或容错齿表面开设辅助凹槽，削弱因永磁电机极/槽数组合引起的低阶电磁力谐波的幅值，并减小齿槽转矩；所述定子电枢齿表面开设辅助凹槽的最佳开口大小和开口深度可通过优化得到。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过在内置式永磁电机转子表面q轴位置以及在电枢齿和/或容错齿表面同时开设辅助凹槽的三种电机定转子拓扑组合，可以影响电机定子齿谐波磁场和转子永磁磁场的相互作用，抑制永磁电机低阶径向电磁力谐波的幅值，减小齿槽转矩，提高转矩输出能力，从而有效抑制永磁电机的振动、噪声，改善电机输出转矩性能。附图说明图1为本专利技术实施例永磁电机的定子、转子和绕组拓扑结构示意图；图2为本专利技术实施例永磁电机的转子结构示意图；图3-1、图3-2、图3-3分别为本专利技术实施例永磁电机的三种定子结构示意图；图4为本专利技术实施例三种定转子辅助凹槽组合结构与电机初始结构的齿槽转矩图；图5为本专利技术实施例三种定转子辅助凹槽组合结构与电机初始结构空载时的空间径向力谐波分析对比图；图6为本专利技术实施例三种定转子辅助凹槽组合结构与电机初始结构额定工况下的输出转矩对比图；图7为本专利技术实施例三种定转子辅助凹槽组合结构与电机初始结构额定工况下的输出转矩均值/2阶径向电磁力谐波图；图8为本专利技术实施例三种定转子辅助凹槽组合结构与电机初始结构额定工况下的输出转矩脉动/2阶径向电磁力谐波图。附图标记列表：1—定子铁芯，2—转子铁芯，3—绕组，4—定子电枢齿，5—定子容错齿，6—永磁体，7、转子表面的辅助凹槽，8、定子齿表面开设辅助凹槽。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。本专利技术的实施例选取某一种五相分数槽集中绕组内置式永磁电机作为示例。电机的转子极对数p为9，定子槽数为20，电机绕组为单层集中绕组结构，如图1所示。根据该电机的槽/极数组合，该电机的电磁力波的最低阶谐波阶次为2，对电机的振动和噪声有很大的影响。本专利技术的目的之一就是削弱该电机第2阶电磁力空间谐波的幅值。实施例1本实施例在转子q轴位置开设辅助凹槽，在图1所示的定子电枢齿上开设辅助凹槽，得到本实施例的定子结构，如图3-1所示。由于本实施例在定子电枢齿上开设了辅助凹槽，在一定程度上改变了定子内表面的等效槽数，进而改变了定子磁导齿谐波，使定子一阶齿谐波减小，最终使电机2阶电磁力谐波幅值减小。实施例2本实施例在保持转子q轴位置开设辅助凹槽的结构不变，在图1所示的定子容错齿上开设辅助凹槽，得到本实施例的定子结构，如图3-2所示。由于本实施例在定子电枢齿上开设了辅助凹槽，在一定程度上改变了定子内表面的等效槽数，进而改变了定子磁导齿谐波，使定子一阶齿谐波减小，最终使电机2阶电磁力谐波幅值减小。实施例3本实施例在保持转子q轴位置开设辅助凹槽的结构不变，在图1所示的定子电枢齿和容错齿上都开设辅助凹槽，得到本实施例的定子结构，如图3-3所示。由于本实施例在定子电枢齿上开设了辅助凹槽，在一定程度上改变了定子内表面的等效槽数，进而改变了定子磁导齿谐波，使定子一阶齿谐波减小，最终使电机2阶电磁力谐波幅值减小。图4为通过有限元仿真得到的上述三个实施例电机的齿槽转矩与原电机的齿槽转矩的对比图。与原电机齿槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抑制内置式永磁电机振动并改善转矩性能的方法，该内置式永磁电机含有电机定子、电机转子两部分，在所述定子上设有单层集中绕组，定子齿分为电枢齿和容错齿，在所述转子上设有内置式永磁体，其特征在于，在所述转子表面和定子齿表面同时开设辅助凹槽，使径向力低阶谐波幅值降低，齿槽转矩减小。

【技术特征摘要】
1.一种抑制内置式永磁电机振动并改善转矩性能的方法，该内置式永磁电机含有电机定子、电机转子两部分，在所述定子上设有单层集中绕组，定子齿分为电枢齿和容错齿，在所述转子上设有内置式永磁体，其特征在于，在所述转子表面和定子齿表面同时开设辅助凹槽，使径向力低阶谐波幅值降低，齿槽转矩减小。2.根据权利要求1所述的一种抑制内置式永磁电机振动并改善转矩性能的方法，其特征在于，永磁电机为内转子永磁电机或外转子永磁电机。3.根据权利要求1所述的一种抑制内置式永磁电机振动并改善转矩性能的方法，其特征在于，永磁电机为近槽极数配合，电机定子齿数Z1和转子极数2p满足最大公约数为2，即GCD(Z1,2p)=2。4.根据权利要求1所述的一种抑制内置式永磁电机振动并改善转矩性能的方法，其特征在于，电机内定、转子间的气隙长度相等。5.根据权利要求1所述的一种抑制内置式永磁电机振动并改善转矩性能的...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊英，邬占川，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32