一种低齿槽转矩无刷直流电机优化方法与流程

本发明涉及一种低齿槽转矩无刷直流电机优化方法。

技术背景

齿槽转矩是定子齿槽与转子永磁体相互作用产生的磁阻转矩，齿槽转矩引起速度波动、电机振动和噪声，并且加大了电机最初的起动转矩，因此降低齿槽转矩是无刷直流电机设计的主要目标之一。无刷直流电机的基波齿槽转矩幅值与定子槽数Z和极数2p的最小公倍数相关，因此不同的极槽配合的齿槽转矩齿槽转矩幅值不同，如何能优化齿槽转矩幅值大的极槽配合对无刷直流电机性能的提高有着重要作用。

现有技术通常采用定子斜槽或者转子磁极斜极的方法，实践表明这种方法可以一定程度的降低齿槽转矩，但是定子斜槽和转子斜极增加定转子加工工艺难度，且会减小定子的槽满率，降低电机输出电磁转矩，不利于电机功率密度的提升。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的在于提供一种低齿槽转矩无刷直流电机优化方法，可以降低无刷直流电机的齿槽转矩。

技术方案

本发明是一种低齿槽转矩无刷直流电机优化方法，其中，采用弧式结构槽口作为优化后槽型形成电机的定子结构；并且转子结构类型采用瓦片磁钢径向冲磁。

如上所述的一种低齿槽转矩无刷直流电机优化方法，其中，具体包括如下步骤：

步骤一、根据设计指标选择n组极槽配合，n为指定的组数；其中电机槽数Z_i，电机极数2p_i，i≤n；求取Z_i和2p_i的最小公倍数LCM_i，选择最大的LCM_i，并取得此时的电机槽数Z_i，电机极数2p_i，则最终确定的槽数Z＝Z_i，最终确定的极数2p＝2p_i；

步骤二、计算功率P_i′，若电机长期运行，则若电机短期运行，则其中P_N为电机额定功率，η′为电机预取效率；

步骤三、计算电枢内径B'_δ为预取气隙磁密，A'_δ为预取线负荷，α_i为预取计算极弧系数，λ'为预取长径比，电枢外径满足：D₁＞D_il，n_N电机额定转速；

步骤四、计算电枢铁芯长L≈λ′D_i1；

步骤五、选择槽型，取槽口宽b₀₁≤1mm，并且指定其它结构参数：槽口深h₀₁，槽肩宽b_x1，槽肩深h_x1；

步骤六、以槽口深h_x1为底边，做一顶角为150°的等腰三角形， 该等腰三角形的顶角位于槽口内；以该等腰三角形的三个顶点为三点画一圆弧，形成弧式结构槽口；采用该结构作为优化后槽型，形成电机的定子结构；

步骤七、转子结构类型采用瓦片磁钢径向冲磁；

步骤八、计算永磁体外径D_m＝D_i1-2δ，永磁体内径D_mi＝D_m-2H_m，δ为气隙宽度，H_m为永磁体磁化方向厚度；

步骤九、取转子紧圈外径D₂，D_m＜D₂＜D_i1；

步骤十、取转子磁钢长度L_c＝L，完成优化。

有益效果

本方法能够降低无刷直流电机齿槽转矩。

附图说明

图1是原有的槽结构示意图；

图2以槽口深为底边搭建等腰三角形示意图；

图3弧式结构槽口示意图；

图4电机定转子剖面图；

图5未采用弧式结构槽口得出的齿槽转矩；

图6采用弧式结构槽口得出的齿槽转矩。

具体实施方式

以下，结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的说明。

本发明为一种低齿槽转矩无刷直流电机优化方法，采用一种弧式结构的槽口来实现降低齿槽转矩的目的。

以如下电机为例进行说明：一无刷直流电机参数为额定电压U_N＝48V，额定转速n_N＝800rpm，额定转矩T_N＝2Nm，额定功率P_N＝170W，长期运行，此处，长期运行指连续运行时间大于30分钟。

按照如下步骤进行优化：

步骤一、根据设计指标选择N组极槽配合，其中电机槽数Z_i，电机极数2p_i，i≤n,求取Z_i和2p_i的最小公倍数LCM_i，选择最大的LCM_i,则最终确定的槽数Z＝Z_i，最终确定的极数2p＝2p_i；

根据设计参数，可取的极槽配合有，Z₁＝12，2p₁＝8，LCM₁＝24；Z₂＝60，2p₂＝10，LCM₂＝60；Z₃＝45，2p₃＝12，LCM₃＝180；由于LCM₃>LCM₂>LCM₁，则选定LCM₃，取Z＝Z₃＝45，2p＝2p₃＝12。

步骤二、计算功率P_i′，若电机长期运行，则若电机短期运行，则其中P_N为电机额定功率，η′为电机预取效率。

本实施例中，预取效率η'＝0.85，电机长期运行，计算功率 $P_i^{\text{'}}=\frac{1+2{\mathrm{\η}}^{\text{'}}}{3{\mathrm{\η}}^{\text{'}}}\×P_N=180W.$

步骤三、计算电枢内径B'_δ为预取气隙磁密，A'_δ为预取线负荷，α_i为预取计算极弧系数，λ'为预取长径比，电枢外径D₁＞D_il，n_N电机额定转速。

本实施例中，预取线负荷A'_s＝14A/mm，预取气隙磁密B'_δ＝0.7T，预取计算极弧系数α_i＝1，预取长径比λ'＝0.4，计算电枢内径 $D_{i1}\≈\sqrt[3]{\frac{6.1P_i^{\′}}{{\mathrm{\α}}_i{A}_s^{\′}{B}_{\mathrm{\δ}}^{\′}{\mathrm{\λ}}^{\′}{n}_N}}=70\mathrm{mm},$电枢外径D₁＝90mm。

步骤四、计算电枢铁芯长L≈λ′D_i1。电枢铁芯长L≈λ′D_i1＝28mm。

步骤五、选择槽型，取槽口宽b₀₁≤1mm，确定槽口深h₀₁，槽肩宽b_x1，槽肩深h_x1等结构参数。槽型结构参数如图1所示，此处为开口底半梨形槽，槽口宽0.5mm,槽口深0.5mm、槽肩宽2.8mm、槽肩深0.7mm；

步骤六、以槽口深h_x1为底边，做一顶角为150°的等腰三角形，该等腰三角形的顶角位于槽口内。以该等腰三角形的三个顶点为三点画一圆弧，形成弧式结构槽口。采用该结构作为优化后槽型，形成电机的定子结构；

以槽口深为底边，做一顶角为150°的等腰三角形，该等腰三角形的顶角位于槽口内，如图2所示。以该等腰三角形的三个顶点为三点画一圆弧，形成弧式结构槽口，如图3所示。将该弧式结构槽口形成的槽型作为电机的定子槽型。

步骤七、转子结构类型采用瓦片磁钢径向冲磁。

步骤八、计算永磁体外径D_m＝D_i1-2δ，永磁体内径D_mi＝D_m-2H_m，δ为气隙宽度，H_m为永磁体磁化方向厚度；

此处，取气隙宽度δ＝0.8mm，则永磁体外径D_m＝D_i1-2δ＝68.4mm。取永磁体磁化方向厚度H_m＝5mm，则永磁体内径D_mi＝D_m-2H_m＝58.4mm。

步骤九、取转子紧圈外径D₂，D_m＜D₂＜D_i1。此处，取转子紧圈外径D₂＝69mm；

步骤十、取转子磁钢长度L_c＝L。此处，取转子磁钢长度L_c＝L＝28mm。

得到电机定转子剖面图如图4所示。

分别对未采用弧式结构槽口电机模型和采用弧式结构槽口电机模型进行有限元分析，得到的齿槽转矩分别如图5、图6所示。由仿真结果可知，采用弧式结构槽口的电机模型齿槽转矩最大为8mNm，未采用弧式结构槽口的电机模型齿槽转矩最大为13mNm。结果表明采用弧式结构槽口优化可以降低无刷直流电机齿槽转矩。

上述说明并不是对本发明的限定，在不脱离本发明的主旨的范围内，可以进行各种变形和变更。