一种交替极外转子永磁电机及其综合气隙磁场谐波抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种交替极外转子永磁电机，包括外转子和内定子；所述外转子具有n个转子铁芯凸极及n个极弧系数不等的永磁体，转子铁芯凸极和永磁体交替分布，所有永磁体极性相同；相邻两个永磁体的宽度不同；所述内定子包括m个定子槽和m个定子齿，定子齿为偏心结构，定子齿上缠绕绕组，使得每个定子槽内嵌有双层分数槽集中绕组；m、n为正整数。优化电机转矩脉动，使得交替极永磁电机在减少永磁体用量，提高永磁体利用率的基础上，兼具转矩脉动低，运行平稳的优点。行平稳的优点。行平稳的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种交替极外转子永磁电机及其综合气隙磁场谐波抑制方法


[0001]本专利技术属于电机领域，具体涉及一种交替极外转子永磁电机及其综合气隙磁场谐波抑制方法。

技术介绍

[0002]伺服系统用于精确、连续地控制被控对象的转角或位移，在机械制造、军事应用等领域均有广泛的应用。采用钕铁硼等稀土永磁的永磁电机由于其结构简单，转矩脉动小，同时具有高效率、高功率密度的优点，已经成为伺服驱动的主要发展方向。但是由于近年来稀土开采的相关保护政策的实施，导致稀土价格上涨，因此降低永磁电机中稀土材料用量对永磁电机的在伺服系统中的推广应用至关重要。交替极永磁电机相较于常规永磁电机仅有一半的永磁体数量，其能够大幅提高永磁体的利用率，减少永磁体用量，成为了研究的热点。
[0003]在伺服驱动系统中，电机的转矩脉动会对电机的伺服控制性能和控制精度产生很大的影响，是其最关注的性能指标之一。虽然交替极永磁电机拥有一系列的优点，但伺服驱动系统对电机的工作稳定性要求很高。交替极永磁电机运行过程中，定转子磁场谐波互相作用产生纹波转矩，会导致其产生较大的转矩脉动。因此，需要采取措施优化交替极永磁电机的气隙磁场分布，减少气隙磁场谐波，降低电机转矩脉动，从而使其达到伺服系统的性能要求。目前国内外学者针对交替极永磁电机的转矩脉动抑制研究有限。因此，对交替极永磁电机进行综合气隙磁场谐波抑制，降低交替极永磁电机的转矩脉动，具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于抑制交替极永磁电机气隙磁场谐波，降低交替极永磁电机的转矩脉动，提出一种交替极外转子永磁电机及其综合气隙磁场谐波抑制方法。该交替极永磁外转子电机转子通过优化永磁体极弧宽度以及定子铁心外表面极弧形状，从而减小气隙磁密谐波含量，抑制电机转矩波动。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种交替极外转子永磁电机，包括外转子和内定子；
[0007]所述外转子具有N个转子铁芯凸极及N个极弧系数不等的永磁体，转子铁芯凸极和永磁体交替分布，所有永磁体极性相同；相邻两个永磁体的宽度不同；
[0008]所述内定子包括M个定子槽和M个定子齿，定子齿为偏心结构，定子齿上缠绕绕组，使得每个定子槽内嵌有双层分数槽集中绕组；M、N为正整数。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，所述偏心结构是定子齿顶圆弧所对应的圆心与气隙圆弧对应的圆心不重合。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，相邻两个永磁体的极弧系数不等。
[0011]一种交替极外转子永磁电机的综合气隙磁场谐波抑制方法，包括以下步骤：
[0012]根据电机设计要求选定交替极外转子永磁电机的极槽配比以及其他参数；
[0013]根据电机齿槽转矩的产生原理，确定影响交替极永磁外转子电机转矩脉动的气隙磁密谐波阶次；
[0014]对采用永磁体不等磁极弧系数设计电机的气隙磁密平方进行傅里叶展开，并求取傅里叶系数，选取相应的永磁体不等磁极极弧系数，抑制影响交替极永磁外转子电机转矩脉动的气隙磁密谐波阶次；
[0015]推导采用定子齿偏心设计电机的剩磁磁密表达式，选取相应的定子齿偏心距，抑制影响交替极永磁外转子电机转矩脉动的气隙磁密谐波阶次。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，所述永磁电机的齿槽转矩计算公式为：
[0017][0018]其中，L
Fe
为电机轴向长度；R1和R2分别为转子内径和定子外径；Z为电机槽数；p代表电机的极对数；n为使得nZ/2p为整数的最小整数；影响交替极永磁外转子电机转矩脉动的气隙磁密谐波阶次为：9k
±
1，k＝1,2,3
…
。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，所述永磁电机的气隙磁密平方傅里叶系数为：
[0020][0021]其中α
pm1
，α
pm2
分别为相邻不等宽永磁体的极弧系数，宽度不等的永磁体交替分布。
[0022]作为本专利技术的进一步改进，所述永磁电机永磁体剩磁磁密平方的表达式为：
[0023][0024]式中t(θ,α)＝(h
m
+δ(θ,α))/R2,b＝h/R2，h为定子齿偏心距，h
m
是永磁体充磁方向长度；B
r
(θ)、δ(θ,α)分别为永磁体剩磁、有效气隙长度沿圆周方向的分布。
[0025]与现有技术相比，具有以下优点：
[0026]本专利技术交替极永磁外转子电机转子采用永磁体不等极弧设计，定子采用定子偏心设计，通过优化永磁体极弧宽度以及定子铁心外表面极弧形状，从而减小气隙磁密谐波含量，抑制电机转矩波动。与传统的永磁电机相比，本专利技术的交替极永磁外转子永磁电机通过将传统永磁电机中所有N极(或S极)永磁体用铁心代替，减少了永磁体用量，提高永磁体利用率，降低了成本。本专利技术中交替极永磁电机采用外转子设计。相较于内转子，外转子电机扭矩更大，运行更平稳。
[0027]本专利技术中通过同时使用永磁体不等极弧系数配合和定子齿偏心的方法对交替极永磁电机气隙磁场谐波进行抑制，相比于单一的优化方法，能更有效地削弱交替极永磁电机的转矩脉动。
[0028]进一步，本专利技术中包含了交替极永磁电机综合气隙磁场谐波抑制技术的原理分析，即根据对电机转矩脉动产生影响的气隙磁密阶次，选取对应的极弧系数配合和偏心距，抑制相应阶次的气隙磁密谐波，为交替极永磁电机的气隙磁场谐波和转矩脉动抑制提供了一定的理论基础和技术借鉴，使得不同槽极配合的交替极永磁电机转矩脉动优化可以达到
类似的效果。
附图说明
[0029]图1为传统交替极外转子永磁电机(原电机)的结构图；
[0030]图2为本专利技术中采用不等极弧永磁体和定子齿偏心设计的交替极外转子永磁电机(实施例电机)的结构图；
[0031]图3为本专利技术中采用不等极弧永磁体设计的外转子结构图；
[0032]图4为本专利技术中采用定子齿偏心设计的定子齿结构图；
[0033]图5为本专利技术中实施例电机和原电机的输出转矩对比图；
[0034]图6为本专利技术中实施例电机和原电机的输出转矩对比图。
具体实施方式
[0035]为了使本
的人员更好地理解本专利技术中的技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0036]需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种交替极外转子永磁电机，其特征在于，包括外转子和内定子；所述外转子具有N个转子铁芯凸极及N个极弧系数不等的永磁体，转子铁芯凸极和永磁体交替分布，所有永磁体极性相同；相邻两个永磁体的宽度不同；所述内定子包括M个定子槽和M个定子齿，定子齿为偏心结构，定子齿上缠绕绕组，使得每个定子槽内嵌有双层分数槽集中绕组；M、N为正整数。2.根据权利要求1所述的一种交替极外转子永磁电机，其特征在于，所述偏心结构是定子齿顶圆弧所对应的圆心与气隙圆弧对应的圆心不重合。3.根据权利要求1所述的一种交替极外转子永磁电机，其特征在于，相邻两个永磁体的极弧系数不等。4.一种交替极外转子永磁电机的综合气隙磁场谐波抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：根据电机设计要求选定交替极外转子永磁电机的极槽配比以及其他参数；根据电机齿槽转矩的产生原理，确定影响交替极永磁外转子电机转矩脉动的气隙磁密谐波阶次；对采用永磁体不等磁极弧系数设计电机的气隙磁密平方进行傅里叶展开，并求取傅里叶系数，选取相应的永磁体不等磁极极弧系数，抑制影响交替极永磁外转子电机转矩脉动的气隙磁密谐波阶次；推导采用定子齿偏心设计电机的剩磁磁密表达式，选取相应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁泳涛，贾少锋，梁得亮，冯帅，董晓壮，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：