一种混合转子永磁电机及其振动优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种混合转子永磁电机及其振动优化设计方法，具体过程包括：首先基于径向电磁力以及总的调制径向电磁力推导公式，推导出径向电磁力密的时空阶次分布，利用有限元法得到径向电磁力密的幅值和相位；其次搭建三维有限元模型，通过模态实验验证模型的准确性，并且根据振动比较的表达式确定主要的电磁振动源作为主振动源；然后通过对定子齿适当削齿来抑制主振动源，以主振动源和平均输出转矩进行多目标优化，并且利用粒子群算法来寻找最优解，确定最优模型；最后通过有限元仿真对最优模型的电磁性能和振动性能进行校核。本发明专利技术能在不牺牲过多电磁性能的基础上有效提升电机振动性能，为未来混合转子永磁电机的设计提供指导。供指导。供指导。

【技术实现步骤摘要】
一种混合转子永磁电机及其振动优化设计方法


[0001]本专利技术属于低振动电机设计的
，具体涉及一种混合转子永磁电机及其振动优化设计方法。

技术介绍

[0002]永磁电机由于其高功率密度、高效率和高可靠性的优良电磁性能在许多领域得到了广泛的应用，例如电动汽车、机器人以及航空等领域。根据永磁体在转子上的位置，永磁电机可分为内嵌式永磁电机和表贴式永磁电机。混合转子永磁电机的转子结构结合了内嵌式永磁电机和表贴式永磁电机的转子模块，混合转子永磁电机对比单一转子结构的永磁电机具有更好的电磁性能，例如具有更高的转矩密度，但是却具有较低的转矩脉动以及齿槽转矩等优点。
[0003]随着永磁电机的广泛应用，永磁电机的振噪性能也逐渐成为人们关注的重点，对于特殊应用场合，比如军事国防事业、医疗器械和高档家具等应用场合，对电机的振动及噪声有着更高的要求。尽管近年来有许多研究人员致力于电机的振动研究，涵盖了许多电机拓扑结构，如内嵌式永磁电机、表贴式永磁电机、轴向通量电机以及爪极电机等，然而，关于混合转子永磁电机振动的研究相对较少。此外，对于混合转子永磁电机，虽然对比单一转子结构的永磁电机其具有更低的转矩脉动和齿槽转矩，但是低转矩脉动和低齿槽转矩不能保证低振动，因为永磁电机的振动源不是转矩脉动和齿槽转矩，而是径向电磁力。相反因为混合转子结构为不对称结构，会使得混合转子永磁电机的电磁力变得复杂，例如会降低最低非零阶径向电磁力的阶次，还会产生多个额外的低阶径向电磁力，而这些会加剧混合转子永磁电机的振动。大振动会阻碍了混合转子永磁电机的广泛应用，特别是在振动和噪声敏感的应用中。因此为了避免混合转子永磁电机的振动性能限制其广泛应用，有必要分析混合转子永磁电机的振动特性，并且抑制主要的振动源，提升混合转子永磁电机的振动性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有混合转子永磁电机的大振动的问题，提出了一种混合转子永磁电机及其振动优化设计方法，通过对定子齿适当削齿来提升电机振动性能，对主振动源和平均输出转矩进行多目标优化，实现了电机主振动源的有效抑制，电机振动性能得到了明显的提升。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：一种混合转子永磁电机，包括外定子、内转子、嵌在定子槽中的星型连接的分数槽分布绕组、在内转子内嵌海尔贝克阵列式永磁体，海尔贝克阵列式永磁体呈现倒T型，同时在内转子外表面固定有表贴式永磁体，两种不同的永磁体固定方式形成混合转子结构，这种结构具有提升转矩密度、降低转矩脉动和齿槽转矩的优点。
[0006]一种混合转子永磁电机的振动优化设计方法，包括如下步骤：步骤S1、根据径向电磁力密产生的原理，分析径向电磁力密，并且根据力调制效应
来计算总的低阶调制集中径向力；步骤S2、搭建电机的三维结构有限元模型，通过模态实验验证模型的准确性；根据总的调制集中径向力的阶次、频率、幅值以及同阶固有频率的距离来分析混合转子的振动特性，并且根据振动比较的表达式来确定主要的电磁振动源；步骤S3、利用对定子齿两端进行类三角形削齿的方法来降低定子磁密，以降低气隙磁密和径向电磁力和总的调制集中径向力；步骤S4、构建以主要的电磁振动源和平均输出转矩的目标函数，并且利用粒子群算法得到最优解；步骤S5、校核优化后电机的电磁性能和振动性能。
[0007]进一步的，所述步骤S1中径向电磁力密的表达式为：，其中，表示径向电磁力密，表示径向磁通密度，表示空气的磁导率；径向磁通密度的表达式为：，其中，表示径向磁通密度，表示气隙磁动势，表示气隙相对磁导，表示转子的空间角度；考虑力调制效应，将径向电磁力密调制成集中径向力的表达式为：，其中，F
r
表示集中径向力，θ
x
表示第x个定子齿中心的机械角度，α表示槽开口的角度，R表示气隙半径，L
S
表示定子轴向长度，气隙中径向电磁力密的阶次与调制后集中径向力的阶次满足以下关系：，其中，i
equ
表示调制后集中径向力的阶次，i表示径向电磁力密的原始阶次；对同频率下主要的集中径向力进行矢量求和运算可以得到总的低阶调制集中径向力。
[0008]进一步的，所述步骤S2中分析混合转子的振动特性；振动方程的表达式为：
，其中，F
Mfn
表示总的调制集中径向力的幅值，M和f
n
表示总的调制集中径向力的阶次和频率，表示第M阶固有频率，b和c表示电机尺寸和材料对加速度的影响系数，相应系数由总的调制集中径向力的阶次确定，根据振动方程的表达式并且综合考虑总的调制集中径向力的阶次、频率、幅值以及与同阶固有频率的距离来分析混合转子结构电机的振动特性；振动比较的表达式为：，其中，，通过综合比较总的低阶调制集中径向力导致的振动，可以得到主要的电磁振动源是在70fr时总的二阶调制集中径向力；通过有限元法来获得振动加速度，仿真结果的主振动源与理论分析的主振动源一致；进一步的，所述步骤S3中利用对定子齿两端进行类三角形削齿；此时定子磁动势的表达式为：，其中，F
s
表示定子磁动势，B表示定子磁密，Ф表示定子磁通，R
s
表示定子磁阻，S表示磁力线穿过的面积，l表示气隙长度；通过对定子齿两端进行类三角形削齿，增加气隙长度，降低定子磁密，进而降低径向磁通密度和降低径向电磁力密，实现抑制主要的电磁振动源的作用；定子齿削齿后的气隙长度的表达式为：
，其中，表示定子齿两端类三角形削齿后的气隙长度，α表示定子齿两端类三角形削齿角度，0<α<β，β表示定子齿角度的一半，d表示定子齿两端类三角形削齿长度，0<d<hs0，hs0表示定子槽楔高度；进一步的，所述步骤S4中以主要的电磁振动源和平均输出转矩的目标函数表达式为：，其中，y表示目标函数，表示在70fr时总的二阶调制集中力的幅值，Tog表示平均输出转矩；对α和d参数化扫描，在参数化扫描基础上，利用粒子群算法来得到最优解。
[0009]采用以上技术方案，本专利技术具有如下有益效果：1. 本专利技术充分研究了混合转子永磁电机产生径向电磁力的机理，并且准确分析出主振动源，为优化此类电机提供了充分的条件。
[0010]2.本专利技术通过对定子齿适当削齿来提升电机振动性能，对主振动源和平均输出转矩进行多目标优化，并且利用粒子群算法来得到最优解，提供了新颖的优化思路。
[0011]3.本专利技术所提出的优化模型，主振动源被有效抑制，电机的振动有了明显降低，优化后的电机振动性能得到了明显的提升，并且不以牺牲过多电磁性能为代价，为未来混合转子永磁电机的设计提供指导。
附图说明
[0012]图1为一种混合转子永磁电机（原电机）的结构图。
[0013]图2为混合转子永磁电机的简化转子相对磁导图。
[0014]图3为定子齿削齿的结构图。
[0015]图4为采用一种混合转子永磁电机的振动优化方法后的混合转子永磁电机的结构图。
[0016]图5为本专利技术中原电机和实施例电机的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合转子永磁电机，其特征在于，所述混合转子永磁电机包括外定子、内转子、嵌在定子槽中的星型连接的分数槽分布绕组、在内转子内嵌海尔贝克阵列式永磁体，海尔贝克阵列式永磁体呈现倒T型，同时在内转子外表面固定有表贴式的永磁体，两种不同的永磁体固定方式形成混合转子结构。2.一种混合转子永磁电机的振动优化设计方法，其特征在于，所述振动优化设计方法通过对定子齿两端进行类三角形削齿进行振动优化设计，具体步骤如下：步骤S1、根据径向电磁力密产生的原理，分析混合转子永磁电机的径向电磁力密；根据力调制效应计算不同时间阶次下总的调制集中径向力；步骤S2、搭建电机的三维结构有限元模型，通过模态实验验证模型的准确性，并且根据总的调制集中径向力的阶次、频率、幅值以及同阶固有频率的距离来分析混合转子的振动特性，同时根据振动比较的表达式确定主要的电磁振动源；步骤S3、利用对定子齿两端进行类三角形削齿的方法降低气隙磁密、径向电磁力密和总的调制集中径向力；步骤S4、构建以主要的电磁振动源和平均输出转矩为优化目标的目标函数，并且利用粒子群算法得到最优解；步骤S5、校核优化后电机的电磁性能和振动性能。3.根据权利要求2所述的一种混合转子永磁电机的振动优化设计方法，其特征在于：所述步骤S1中径向电磁力密的表达式为：，其中，表示径向电磁力密，表示径向磁通密度，表示空气的磁导率；径向磁通密度的表达式为：，其中，表示径向磁通密度，表示气隙磁动势，表示气隙相对磁导，表示转子的空间角度；考虑力调制效应，将径向电磁力密调制成集中径向力的表达式为：，其中，F
r
表示集中径向力，θ
x
表示第x个定子齿中心的机械角度，α表示槽开口的角度，R表示气隙半径，L
S
表示定子轴向长度，气隙中径向电磁力密的阶次与调制后集中径向力的阶次满足以下关系：，其中，i
equ
表示调制后集中径向力的阶次，i表示径向电磁力密的原始阶次；对同频率下主要的集中径向力进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐高红，蔡阳坤，陈前，廖继红，贾泽鑫，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：