一种内置式变极永磁同步电机转子反凸极设计方法技术

本发明专利技术涉及一种内置式变极永磁同步电机转子反凸极设计方法，其特征在于，包括：确定电机运行在8极时为N极或S极磁极连续分布的连续极磁极结构、在4极时为N极、S极磁极交错分布的传统磁极结构；提出电机反凸极转子结构，采用条形及圆弧形磁障、非均匀减小气隙长度等措施实现两个极数下绕组电感L

【技术实现步骤摘要】
一种内置式变极永磁同步电机转子反凸极设计方法


[0001]本专利技术属于电机设计领域，具体涉及内置式变极永磁同步电机转子反凸极设计方法。

技术介绍

[0002]随着永磁材料的不断发展，永磁电机的设计和制造水平不断提高，其性能有了很大的改进。与其他电机相比，内置式永磁同步电机具有体积小、重量轻、效率高等诸多优点，广泛应用于航空航天、新能源汽车、精密加工等高端装备制造业的各个领域。对于传统的永磁电机，由于磁场不可调节，需要施加一个d轴弱磁电流来削弱气隙磁场，以达到扩速的目的，但弱磁电流带来的附加铜耗，甚至是永磁体不可逆退磁，极大地限制了永磁电机的应用。变极永磁同步电机通过合理设计定子绕组和转子磁极，即可改变电机极数实现宽速域范围运行，即在高极数下实现低速高转矩运行，在低极数下实现高转速高效率运行。
[0003]为解决因采用AlNico永磁材料内置式永磁电机无法利用磁阻转矩的问题，本专利技术提出了变极永磁同步电机的转子反凸极设计，即两种极数下均实现L
d
＞L
q
，从而在降低永磁体退磁风险的同时，充分利用磁阻转矩以实现电机转矩的提升。
[0004]为了使电机各项性能达到综合最优，需要对电机的重要参数进行适当选取。永磁同步电动机是一个多变量、多物理场耦合的非线性时变系统，确定电机参数需要考虑多个变量，随着变量数量的增加，实验次数呈指数增加，计算量大、耗时长。Taguchi法是试验设计领域的一个重要分支，采用正交试验表，可极大地减少试验次数，提升电机设计效率，且能达到较优的设计效果。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种变极永磁同步电机的转子反凸极设计方法，以在保证较高输出转矩的同时，减小电机的转矩波动。本设计方法的核心是，提出一种能有效利用磁阻转矩的反凸极变极永磁同步电机结构，并选择合适的控制因素正交表，利用Taguchi法对提出的反凸极转子结构进行参数选取。技术方案如下：
[0006]一种内置式变极永磁同步电机转子反凸极设计方法，其特征在于，包括：
[0007](4)确定电机运行在8极时为N极或S极磁极连续分布的连续极磁极结构、在4极时为N极、S极磁极交错分布的传统磁极结构；
[0008](5)提出电机反凸极转子结构，采用条形及圆弧形磁障、非均匀减小气隙长度等措施实现两个极数下绕组电感L
d
>L
q
；
[0009](6)采用Taguchi法对所提出的电机反凸极转子结构的结构参数进行整定：圆弧形磁障端点偏移角度为A，永磁体中心的转子铁芯向气隙方向凸起部分的厚度为B，凸起部分的圆弧端点与永磁体中心的角度为C，条形磁障的个数为D，条形磁障的宽度为E；以提高凸极比和减小转矩波动作为设计目标。
[0010]进一步地，步骤(3)进行参数整定的步骤如下：
[0011]S31结合电机的结构参数确定各个变量的取值，建立控制因素水平表，根据选取的变量个数以及各个变量对应的取值个数，确定控制因素正交表；
[0012]S32对电机运行在额定点时的每一组试验进行有限元分析，计算电机8极与4极时的凸极比SR
‑
8P、SR
‑
4P和转矩波动TR
‑
8P、TR
‑
4P；
[0013]S33对各组试验得到的凸极比和转矩波动进行平均值分析，得到凸极比、转矩波动平均值随各个变量取值的变化情况，并得到凸极比最大时的各变量取值和转矩波动最小时的各变量取值；
[0014]S34在平均值分析的基础上对凸极比、转矩波动进行方差分析，得到各个变量对凸极比和转矩波动影响比重；
[0015]S35根据步骤S33得到的凸极比最大、转矩波动最小时各变量取值，根据步骤S34得到的各变量对凸极比、转矩波动的影响比重，综合考虑后得到各变量最终的取值，即电机反凸极转子结构的最终设计方案。
[0016]本专利技术同时提供一种内置式变极永磁同步电机的优化设计方案。电机运行在8极时为连续极磁极结构、在4极时为N极、S极磁极交错分布的传统磁极结构，其特征在于，反凸极转子结构的结构参数：圆弧形磁障端点偏移角度A＝6
°
，永磁体中心的转子铁芯向气隙方向凸起部分的厚度B＝0.6mm，凸起部分的圆弧端点与永磁体中心的角度C＝9，条形磁障的个数D＝4，条形磁障的宽度E＝0.5mm。
[0017]本专利技术提出了内置式变极永磁同步电机反凸极转子结构，同时利用Taguchi法对所提出的结构进行参数选取，在保持较高输出转矩的同时，减小了电机的转矩波动。具有以下
[0018]有益效果：
[0019]1.本专利技术提出变极永磁同步电机反凸极转子结构，两种极数下均实现L
d
>L
q
，有效利用磁阻转矩实现电机转矩的提升。
[0020]2.利用Taguchi法对电机反凸极转子结构进行了设计，分析了凸极比和转矩波动随各变量变化的规律和各个变量对凸极比和转矩波动影响比重，进而得到了变极永磁同步电机反凸极转子结构的最终设计方案，使得电机在保持较高输出转矩的同时，减小了电机的转矩波动。
附图说明
[0021]图1为变极永磁同步电机磁场分布图；(a)8极时；(b)4极时；
[0022]图2为变极永磁同步电机反凸极转子结构图；
[0023]图3为变极永磁同步电机反凸极转子结构选取变量示意图；
[0024]图4为反凸极变极永磁同步电机d轴磁场分布图；(a)8极时；(b)4极时；
[0025]图5为反凸极变极永磁同步电机q轴磁场分布图；(a)8极时；(b)4极时；
[0026]图6为反凸极变极永磁同步电机电感与电流幅值关系图；(a)8极时；(b)4极时；
[0027]图7为反凸极变极永磁同步电机电感与电流角关系图；(a)8极时；(b)4极时；
[0028]图8为反凸极变极永磁同步电机转矩波形图；(a)8极时；(b)4极时；
[0029]图9为传统永磁同步电机和反凸极变极永磁同步电机的转矩
‑
转速曲线对比图。
具体实施方式
[0030]下面以一台8/4极48槽电机为例，对本专利技术的实施方式进行详细说明，电机的参数如表1所示。
[0031]表1电机主要参数
[0032]参数数值单位定子外径120mm定子内径68.4mm气隙长度1mm轴向长度80mm每槽导体数32
‑‑
额定电流4A永磁体材料AlNico
‑‑
[0033](1)变极永磁同步电机的磁场分布如图1所示，运行在8极时为连续极磁极结构，在4极时为传统磁极结构；
[0034](2)提出如图2所示的变极永磁同步电机反凸极转子结构，其中圆弧形磁障命名为1，转子铁芯向气隙方向的凸起部分命名为2，垂直于永磁体的条形磁障命名为3，在两种极数下运行时电机的q轴磁路增加磁障、d轴磁路减小气隙长度，实现两种极数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种内置式变极永磁同步电机转子反凸极设计方法，其特征在于，包括：(1)确定电机运行在8极时为N极或S极磁极连续分布的连续极磁极结构、在4极时为N极、S极磁极交错分布的传统磁极结构；(2)提出电机反凸极转子结构，采用条形及圆弧形磁障、非均匀减小气隙长度等措施实现两个极数下绕组电感L
d
>L
q
；(3)采用Taguchi法对所提出的电机反凸极转子结构的结构参数进行整定：圆弧形磁障端点偏移角度为A，永磁体中心的转子铁芯向气隙方向凸起部分的厚度为B，凸起部分的圆弧端点与永磁体中心的角度为C，条形磁障的个数为D，条形磁障的宽度为E；以提高凸极比和减小转矩波动作为设计目标。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(3)进行参数整定的步骤如下：S31结合电机的结构参数确定各个变量的取值，建立控制因素水平表，根据选取的变量个数以及各个变量对应的取值个数，确定控制因素正交表；S32对电机运行在额定点时的每一组试验进行有限元分析，计算电机8极与4极时的凸极比SR
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【专利技术属性】
技术研发人员：王慧敏，李香怡，郝中源，郭丽艳，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：