表贴式永磁电机齿槽转矩的削弱及分析方法技术

本发明专利技术公开了一种表贴式永磁电机齿槽转矩的削弱及分析方法。属于永磁同步电机技术领域，首先采用磁极偏心的方法来减小齿槽转矩并对磁极偏心距进行优化，选取最优的偏心距使得齿槽转矩最小化。此方法是通过改变磁极形状来削弱齿槽转矩，为了进一步研究磁极形状的改变对齿槽转矩的影响，再根据麦克斯伟张量法利用Maxwell软件仿真得到径向气隙磁密和切向气隙磁密分量代入到齿槽转矩中。最后利用有限元和解析相结合的方法，可以计算出在一个电周期的任何时刻各阶气隙磁密谐波对齿槽转矩的贡献。本发明专利技术通过各个阶次下的齿槽转矩波形，来分析不同磁极形状下齿槽转矩的变化。

Reduction and analysis of cogging torque of surface mounted permanent magnet motor

【技术实现步骤摘要】
表贴式永磁电机齿槽转矩的削弱及分析方法
本专利技术属于永磁同步电机
，尤其涉及一种削弱齿槽转矩以及分析齿槽转矩的方法。技术背景表贴式永磁同步电机具有体积小、重量轻、结构简单、运行可靠、转矩密度高等优点，广泛应用于船舶、航空、公共生活等领域。但是由于永磁体和定子槽之间的相互作用会产生齿槽转矩，这对电机的转矩脉动影响很大，从而影响电机的整体性能。学者们研究了很多方法来削弱齿槽转矩，斜槽广泛的应用于减小齿槽转矩，但是不便于加工且生产成本高，为了避免这种缺点又采用偏心齿来代替斜槽。通过改变磁极形状也可以有效的削弱齿槽转矩，但是磁极形状对齿槽转矩的影响大多是通过有限元的方法来分析，这种方法不能很好的理解齿槽转矩的来源。精确的子域模型可以预测齿槽转矩，但是太过于复杂，因而采用有限元和解析法相结合的方法来分析齿槽转矩可以准确的分析齿槽转矩的来源。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种削弱齿槽转矩的方法以及为了解决有限元法不能分析齿槽转矩的来源和解析法太过于复杂的问题，提出了一种有限元和解析法相结合的方法来分析磁极形状的改变对齿槽转矩的影响。为了实现上述目的，本专利技术采用了磁极偏心的方法来削弱齿槽转矩，同时提供了一种分析磁极形状变化对齿槽转矩的影响的方法，包括以下步骤：步骤1、采用磁极偏心的方法，通过优化偏心距使得齿槽转矩最小化；步骤2、利用Maxwell有限元仿真得到的第k次径向和切向气隙磁密分量的幅值Brk和Bαk，第k次径向和切向气隙磁密分量的角度αrk和ααk；步骤3、将步骤2得到的数据代入到k次气隙磁密谐波引起的齿槽转矩分量Tck中即可得到各个阶次对齿槽转矩的贡献。进一步，步骤1具体过程为：表贴式永磁电机的气隙磁通密度可以表示为：式中，μ0为空气磁导率，Hc为永磁体矫顽力，g为气隙间隔，H为永磁体磁化方向的厚度；磁极偏心的方法会导致永磁体磁化方向的厚度不均匀，从而改变气隙磁密，当永磁体磁化方向为平行充磁时，可以得到平行充磁下的永磁体厚度：式中，Rs为定子铁芯内半径，g是气隙长度，h是偏心距，hm是磁极的最大厚度，θ为相对于磁极中心的机械角度，取值范围为[-παp/2p，παp/2p]，p是极对数，αp是极弧系数；通过上式，可以找到最优的偏心距使得齿槽转矩最小化。进一步，步骤2的具体过程为：利用Maxwell仿真径向气隙磁密波形Br和切向气隙磁密波形Bα，在Maxwell后处理中将仿真得到的径向气隙磁密波形Br和切向气隙磁密波形Bα分别进行傅里叶分解，从而获得第k次径向和切向气隙磁密分量的幅值Brk和Bαk，第k次径向和切向气隙磁密分量的角度αrk和ααk。进一步，步骤3的具体过程为：利用有限元模型可以预测径向气隙磁密和切向气隙磁密，再通过傅里叶分析可以得到径向气隙磁密和切向气隙磁密的表达式为：其中，Brk和Bαk分别是第k次径向和切向气隙磁密分量的幅值，αrk和ααk分别是第k次径向和切向气隙磁密分量的角度，α是切向的位置；根据上述得到的气隙磁密可以由麦克斯伟张量法计算齿槽转矩，其表达式如下：其中，r是径向位置，la是电机有效长度，Tck是k次气隙磁密谐波引起的齿槽转矩分量；利用Maxwell仿真得到的第k次径向和切向气隙磁密分量的幅值Brk和Bαk，第k次径向和切向气隙磁密分量的角度αrk和ααk，代入上述齿槽转矩公式(7)中，即可得到第k次气隙磁密谐波引起的齿槽转矩分量。进一步，还包括，将所述所有单组齿槽转矩分量计算结果进行叠加，即可得到一个电周期内的齿槽转矩波形。本专利技术采用以上技术方案后，具有如下有益效果：目前大多数研究者都是通过能量法、精确子域模型法来预测齿槽转矩，但是无法反映各个阶次气隙磁密对齿槽转矩的贡献。本专利技术将有限元得到的各阶次气隙磁密谐波分量代入到解析式中，可以准确的分析齿槽转矩的来源，并且可以准确的计算分析各阶次气隙磁密谐波对齿槽转矩的贡献。本专利技术为电机研究人员计算、分析含有不同磁极形状的表贴式永磁同步电机的齿槽转矩提供了一种方便快捷的研究手段。本专利技术采用磁极偏心的方法来削弱齿槽转矩，并提出是一种分析在不同磁极形状下不同阶次对齿槽转矩的贡献的方法，最大的优点在于可以更加方便的得到各个阶次下的齿槽转矩分量，通过各个阶次下的齿槽转矩波形，来分析不同磁极形状下齿槽转矩的变化。附图说明下列附图为本专利技术的实施例，其中：图1是本专利技术实施例的分析不同磁极形状下的齿槽转矩的方法的流程图；图2是本专利技术实施例中面包型偏心磁极示意图；图3是本专利技术实施例的不同磁极形状下的齿槽转矩波形。图4是本专利技术实施例的某一时刻下不同阶次的磁密谐波对齿槽转矩的贡献曲线图；图5是本专利技术实施例的磁极形状未改变时一个电周期下不同阶次的磁密谐波对齿槽转矩的贡献；图6是本专利技术实施例的磁极偏心时一个电周期下不同阶次的磁密谐波对齿槽转矩的贡献；具体实施方式以下，结合附图和具体实施方式，对本专利技术做进一步的说明。本专利技术采用了磁极偏心的方法来削弱齿槽转矩，同时提供了一种分析磁极形状变化对齿槽转矩的影响的方法，采用一种有限元和解析法相结合的方法来分析磁极形状的改变对齿槽转矩的影响。图1提供了分析不同磁极形状的表贴式永磁电机的齿槽转矩来源的方法的流程图，包括：步骤1、采用磁极偏心的方法，通过优化偏心距使得齿槽转矩最小化；表贴式永磁电机的气隙磁通密度可以表示为：式中，μ0为空气磁导率，Hc为永磁体矫顽力，g为气隙间隔，H为永磁体磁化方向的厚度。磁极偏心的方法会导致永磁体磁化方向的厚度不均匀，从而改变气隙磁密。当永磁体磁化方向为平行充磁时，其厚度可以表示为：根据式(2)和式(3)可以得到平行充磁下的永磁体厚度式中，Rs为定子铁芯内半径，g是气隙长度，h是偏心距，hm是磁极的最大厚度，θ为OA与永磁体中心线的夹角(相对于磁极中心的机械角度)，θ的取值范围为[-παp/2p，παp/2p]，p是极对数，αp是极弧系数。通过上式，可以找到最优的偏心距使得齿槽转矩最小化。步骤2、利用Maxwell有限元仿真得到的第k次径向和切向气隙磁密分量的幅值Brk和Bαk，第k次径向和切向气隙磁密分量的角度αrk和ααk；步骤3、将步骤2得到的数据代入到k次气隙磁密谐波引起的齿槽转矩分量Tck中即可得到各个阶次对齿槽转矩的贡献；利用有限元模型可以预测径向气隙磁密和切向气隙磁密，再通过傅里叶分析可以得到径向气隙磁密和切向气隙磁密的表达式为：其中，Brk和Bαk分别是第k次径向和切向气隙磁密分量的幅值，αrk和ααk分别是第k次径向和切向气隙磁密分量的角度，α是切向的位置。根据上述得到的气隙磁密可以由麦克斯伟张量法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.表贴式永磁电机齿槽转矩的削弱及分析方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、采用磁极偏心的方法，通过优化偏心距使得齿槽转矩最小化；/n步骤2、利用Maxwell有限元仿真得到的第k次径向和切向气隙磁密分量的幅值B

【技术特征摘要】
1.表贴式永磁电机齿槽转矩的削弱及分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用磁极偏心的方法，通过优化偏心距使得齿槽转矩最小化；
步骤2、利用Maxwell有限元仿真得到的第k次径向和切向气隙磁密分量的幅值Brk和Bαk，第k次径向和切向气隙磁密分量的角度αrk和ααk；
步骤3、将步骤2得到的数据代入到k次气隙磁密谐波引起的齿槽转矩分量Tck中即可得到各个阶次对齿槽转矩的贡献。


2.根据权利要求1所述的表贴式永磁电机齿槽转矩的削弱及分析方法，其特征在于，步骤1具体过程为：表贴式永磁电机的气隙磁通密度可以表示为：



式中，μ0为空气磁导率，Hc为永磁体矫顽力，g为气隙间隔，H为永磁体磁化方向的厚度；
磁极偏心的方法会导致永磁体磁化方向的厚度不均匀，从而改变气隙磁密，当永磁体磁化方向为平行充磁时，可以得到平行充磁下的永磁体厚度：



式中，Rs为定子铁芯内半径，g是气隙长度，h是偏心距，hm是磁极的最大厚度，θ为相对于磁极中心的机械角度，取值范围为[-παp/2p，παp/2p]，p是极对数，αp是极弧系数；
通过上式，可以找到最优的偏心距使得齿槽转矩最小化。


3.根据权利要求1所述的表贴式永磁电机齿槽转矩的削弱及分析方法，其特征在于，步骤2的具体过程为：利用Maxwell仿真径向气隙磁密波形Br和切...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文祥，周敏，胡敬宁，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32