非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法技术

本发明专利技术提供了一种非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法，通过将呈环形并间隔排布于电机定子上的Z

Cogging torque optimization method for the design of non-uniform tooth permanent magnet vernier motor

【技术实现步骤摘要】
非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法
本专利技术属于永磁电机及永磁电机设计
，更具体地说，是涉及一种非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法。
技术介绍
游标电机(VernierMachine)作为一种低速大转矩的直接驱动型电机，在电动汽车、风力发电、海浪发电等新能源领域有着广泛的应用前景。游标电机是一类定子、转子极数不相等的永磁电机，它主要包括电机定子、电机转子以及磁场调制部分。当前的开口槽式永磁游标电机，通常沿其电机定子的周向均匀开设有多个容纳电枢绕组的定子槽，各定子槽之间凸起的部分形成定子齿，通过均匀分布的定子齿结构进行调磁(磁场调制)，使电机转子的多数极对数磁场调制成与电机定子相匹配的少数极对数磁场，从而产生稳定的电磁转矩。然而，当前设计的非均匀分布齿结构的永磁游标电机，虽然使电枢绕组的大量绕组磁动势谐波得到更充分地利用，但非均匀分布齿结构必然会引起齿槽转矩波动变大，会使永磁游标电机产生振动和噪声，出现转速波动，使永磁游标电机不能平稳运行，产生振动和噪声，从而影响永磁游标电机的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法，以解决现有技术中存在的非均匀分布齿结构的永磁游标电机引起齿槽转矩波动变大的问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是提供一种非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法，所述非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法应用于永磁游标电机，所述永磁游标电机包括设有Zs个定子齿的电机定子和与所述电机定子配合的电机转子，所述电机转子中设有Zr对永磁体，各所述定子齿上分别设有用于产生绕组磁动势谐波的电枢绕组；所述非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法包括如下步骤：步骤S1：将Zs个所述定子齿呈环形并间隔地排布于所述电机定子上；Zs个所述定子齿划分为Zf个齿单元组，各所述齿单元组包括沿顺时针或逆时针方向依次设置的ng个所述定子齿；步骤S2：在满足任意相邻两个所述齿单元组中心面之间的夹角相等并保证各所述齿单元组中心面位置不变的条件下，使各所述齿单元组内ng个所述定子齿关于该齿单元组的中心面对称；步骤S3：根据未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波，调整各所述齿单元组内ng个所述定子齿的位置，使各所述齿单元组内相邻两个所述定子齿之间的间距与相邻两个所述齿单元组之间的间距不相等，以使Zs个所述定子齿在所述电机定子上构成非均匀分布齿结构；步骤S4：分别将Zf个所述齿单元组内部相同次序位置的Zf个所述定子齿划分为一组齿槽转矩组，以将Zs个定子齿分为ng组齿槽转矩组，并运用齿槽转矩相量对ng组所述齿槽转矩组的齿槽转矩谐波进行分析，调整各所述齿单元组内部相同次序位置的所述定子齿的齿宽与位置，以改变各组齿槽转矩组的齿槽转矩谐波的相位与幅度，消除特定次齿槽转矩谐波。进一步地，在所述调整各所述齿单元组内部相同次序位置的所述定子齿的齿宽与位置步骤中，Zs个所述定子齿呈等宽设置。进一步地，在所述Zs个所述定子齿呈等宽设置步骤之后，根据各所述齿槽转矩组的齿槽转矩特定次谐波相位，计算得到各所述齿单元组内各所述定子齿相对该齿单元组中心面的机械偏移角度，在计算得到的多个所述机械角度中选取目标机械角度，以确定各所述齿单元组内各所述定子齿的偏移位置。进一步地，在所述确定各所述齿单元组内各所述定子齿的偏移位置步骤之后，并在满足各所述齿槽转矩组的齿槽转矩最小的条件下，对所述调制的各有效次空载气隙磁密谐波含量进行计算，以确定输出转矩最高的设计点。进一步地，根据所述目标磁导谐波与所述永磁体调制出的各有效次空载气隙磁密谐波含量分析计算得到的电磁转矩满足关系式：其中，kT为转矩系数，为与绕组磁动势对应的|Zr±mZf|次磁密谐波幅值，Te为电磁转矩，Beffect为气隙有效磁密，Zr永磁体极对数，Zf为齿单元组个数，m为自然数。进一步地，在所述调整各所述齿单元组内部相同次序位置的所述定子齿的齿宽与位置步骤中，ng组所述齿槽转矩组共同作用产生的齿槽转矩满足关系式：其中，Tcog为齿槽转矩，k为第k组齿，i为齿槽转矩的i次谐波，TkiNcog为第k组齿产生的齿槽转矩的i次谐波分量幅值，Ncog为齿单元组个数Zf和永磁体极数2Zr的最小公倍数，θm为转子机械位置角度，αk为第k组齿相对定子参考点的偏移角度，m为自然数。进一步地，在所述Zs个所述定子齿呈等宽设置步骤后，将各组所述齿槽转矩组的齿槽转矩基波相量依次偏移αng角度，所述αng满足关系式：其中，ng为齿槽转矩组的组数。进一步地，在将各组所述齿槽转矩组的齿槽转矩基波相量依次偏移αng角度步骤之后，各组所述齿槽转矩组的齿槽转矩各次谐波相量满足关系式：其中，Tcogk为第k组齿齿槽转矩，i为齿槽转矩的i次谐波，TkiNcog为第k组齿产生的齿槽转矩的i次谐波分量幅值，Ncog为齿单元组个数Zf和永磁体极数2Zr的最小公倍数，θm为转子机械位置角度，αk为第k组齿相对定子参考点的偏移角度，m为自然数。10.进一步地，在所述运用齿槽转矩相量对ng组所述齿槽转矩组的齿槽转矩谐波进行分析步骤中，各组所述齿槽转矩组的相量满足关系式：其中，为第k组齿齿槽转矩的相量形式，i为齿槽转矩的i次谐波，TkiNcog为第k组齿产生的齿槽转矩的i次谐波分量幅值，Ncog为齿单元组个数Zf和永磁体极数2Zr的最小公倍数，θm为转子机械位置角度，αk为第k组齿相对定子参考点的偏移角度，m为自然数。进一步地，所述电枢绕组为集中式电枢绕组。本专利技术提供的一种非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法的有益效果在于：与现有技术相比，本专利技术提供的非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法，通过将呈环形并间隔排布于电机定子上的Zs个定子齿划分为Zf个齿单元组，在任意相邻两个齿单元组中心面之间的夹角相等并保证各齿单元组中心面位置不变的条件下，调整各齿单元组内ng个定子齿的位置，使各齿单元组内相邻两个定子齿之间的间距与相邻两个齿单元组之间的间距不相等，在电机定子上构成非均匀分布齿结构，并且使各齿单元组内ng个定子齿设置成关于该齿单元组的中心面对称，保证定子绕组相间对称。则可利用电机定子上的非均匀分布齿结构，引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过非均匀分布齿结构与永磁体调制出空载气隙磁密谐波，使空载气隙磁密谐波与目标磁导谐波对应，充分利用电枢绕组产生的磁动势谐波，实现电机额外产生净输出转矩，从而使永磁游标电机增加输出转矩和转矩密度。并且，运用齿槽转矩相量对ng组齿槽转矩组的齿槽转矩谐波进行分析，调整各齿单元组内部相同次序位置的定子齿的齿宽与位置，以改变各组齿槽转矩组的齿槽转矩谐波的相位与幅度，消除特定次齿槽转矩谐波，对非均匀齿永磁游标电机齿槽转矩进行优化，解决非均匀分布齿结构引起齿槽转矩波动变大的问题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法，所述非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法应用于永磁游标电机，其特征在于，所述永磁游标电机包括设有Z

【技术特征摘要】
1.一种非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法，所述非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法应用于永磁游标电机，其特征在于，所述永磁游标电机包括设有Zs个定子齿的电机定子和与所述电机定子配合的电机转子，所述电机转子中设有Zr对永磁体，各所述定子齿上分别设有用于产生绕组磁动势谐波的电枢绕组；所述非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法包括如下步骤：
步骤S1：将Zs个所述定子齿呈环形并间隔地排布于所述电机定子上；Zs个所述定子齿划分为Zf个齿单元组，各所述齿单元组包括沿顺时针或逆时针方向依次设置的ng个所述定子齿；
步骤S2：在满足任意相邻两个所述齿单元组中心面之间的夹角相等并保证各所述齿单元组中心面位置不变的条件下，使各所述齿单元组内ng个所述定子齿关于该齿单元组的中心面对称；
步骤S3：根据未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波，调整各所述齿单元组内ng个所述定子齿的位置，使各所述齿单元组内相邻两个所述定子齿之间的间距与相邻两个所述齿单元组之间的间距不相等，以使Zs个所述定子齿在所述电机定子上构成非均匀分布齿结构；
步骤S4：分别将Zf个所述齿单元组内部相同次序位置的Zf个所述定子齿划分为一组齿槽转矩组，以将Zs个定子齿分为ng组齿槽转矩组，并运用齿槽转矩相量对ng组所述齿槽转矩组的齿槽转矩谐波进行分析，调整各所述齿单元组内部相同次序位置的所述定子齿的齿宽与位置，以改变各组齿槽转矩组的齿槽转矩谐波的相位与幅度，消除特定次齿槽转矩谐波。


2.如权利要求1所述的非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法，其特征在于，在所述调整各所述齿单元组内部相同次序位置的所述定子齿的齿宽与位置步骤中，Zs个所述定子齿呈等宽设置。


3.如权利要求2所述的非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法，其特征在于，在所述Zs个所述定子齿呈等宽设置步骤之后，根据各所述齿槽转矩组的齿槽转矩特定次谐波相位，计算得到各所述齿单元组内各所述定子齿相对该齿单元组中心面的机械偏移角度，在计算得到的多个所述机械角度中选取目标机械角度，以确定各所述齿单元组内各所述定子齿的偏移位置。


4.如权利要求3所述的非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法，其特征在于，在所述确定各所述齿单元组内各所述定子齿的偏移位置步骤之后，并在满足各所述齿槽转矩组的齿槽转矩最小的条件下，对所述调制的各有效次空载气隙磁密谐波含量进行计算，以确定输出转矩最高的设计点。


5.如权利要求4所述的非均匀齿永磁游标电机设计的齿槽转矩优化方法，其特征在于，根...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵飞，陶恩成，李立毅，潘学伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东;44