一种内置式无刷直流电机极弧系数的扩展方法与流程

本发明属于电机技术领域，尤其涉及一种内置式无刷直流电机极弧系数的扩展方法。

背景技术：

稀土永磁电机具有结构简单、维修方便、运行稳定、性能可靠、功率密度高和调速性能好等优点，已经在风力发电领域、电动汽车领域以及数控机床领域取得了广泛应用；同时，针对永磁电机本体设计与优化的研究也越来越多，研究内容主要包括电机新型结构设计和优化电机参数以达到降低转矩脉动、提高功率因数、获取合理气隙磁密的目标，其中，极弧系数是电机设计的关键参数，直接影响气隙磁密波形，当极弧系数增大时，气隙磁密分布会由正弦波逐渐变为方波，电机反电势方波特性会越好，转矩脉动会减小，电机运行也越平稳，同时也会改善电机电磁振动及噪声，因此，在无刷直流电机设计中，希望极弧系数越大越好。内置式无刷直流电机是无刷直流电机的一种特殊结构，磁钢镶嵌于转子内部，具有更高的可靠性，在内置式无刷直流电机设计中，需要综合考虑电机体积及功率密度，极弧系数的取值会受电机转子大小的限制，在设计过程中若一味追求大的极弧系数，会导致转子隔磁桥部分变小，使得无刷直流电机漏磁增大。

为减小漏磁，内置式无刷直流电机永磁体槽的两端会采用三角结构，即永磁体槽尖角，一般设计中，永磁体槽尖角部位不会嵌入永磁体。当所设计的大功率密度内置式无刷直流电机极弧系数比较小时，可以利用永磁体槽尖角对极弧系数进行扩展，方法是在槽尖角位置也填充永磁体以加大永磁体的宽度，但是在该扩展过程中面临一个问题：永磁体槽尖角越接近边缘位置越薄，由于向槽尖角位置填充的永磁体与槽尖角形状一致，当把永磁体嵌入到槽尖角位置或完全填满槽时，永磁体边缘沿充磁方向厚度很小，随着电机工作温度升高，永磁体退磁曲线弯曲，电枢磁场会导致永磁体边缘位置产生不可逆退磁，该现象称为尖角退磁，尖角退磁会导致接近边缘位置的永磁体失效，一味的加大永磁体的宽度，特别是将槽尖角填满时，会造成永磁体因部分失效而产生浪费。因此，极弧系数的扩展会受到尖角退磁的限制。内置式大功率密度无刷直流电机体积小，永磁体的排布空间受到限制，设计过程中极弧系数取不到理想值，需要寻求一种可以避免内置式无刷直流电机永磁体发生尖角退磁的极弧系数扩展方法。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为弥补在设计功率大、体积小的无刷直流电机过程中无法取得大极弧系数的缺陷，改善方波控制无刷直流电机的性能，并且避免永磁体发生尖角退磁造成浪费，本发明提出一种考虑尖角退磁影响的内置式无刷直流电机极弧系数的扩展方法。

技术方案

一种内置式无刷直流电机极弧系数的扩展方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：按照h₁＝F_adm/H_k计算永磁体最小边缘厚度h₁，其中，F_adm为内置式无刷直流电机额定工作时每极最大去磁磁势，H_k为温度T时永磁体材料退磁曲线上拐点k处的退磁磁场强度，其中，T≥150℃；F_adm的计算公式为其中，I_a为额定工作电流，W_Φ为每相绕组串联匝数，K_W为绕组系数，p为极对数；

步骤2：令扩展后的永磁体边缘厚度为h₁，按照扩展前后永磁体边缘保持平行的原则，利用AutoCAD画出扩展后永磁体形状，并标注永磁体尺寸，同时测量得到扩展后永磁体边缘间的夹角α₁，所述的永磁体边缘夹角是每极永磁体两个边缘上端分别与槽的交点A、A’与转子轴心O之间连线的夹角；

步骤3：按照α_pmax＝α₁/β计算得到扩展后内置式无刷直流电机的极弧系数α_pmax，则极弧系数的扩展范围是(α/β，α_pmax]；其中，β是极距对应的角度，α是扩展前永磁体边缘间的夹角。

有益效果

本发明提出的一种内置式无刷直流电机极弧系数的扩展方法，充分利用永磁体槽的结构，通过扩展永磁体边缘，加大永磁体宽度，使得极弧系数得到扩展；利用电机额定工作时每极最大去磁磁势与拐点k处的退磁磁场强度的比值确定永磁体最小边缘厚度，既避免了尖角退磁的产生，也避免了极弧系数扩展过程中造成永磁体浪费。利用本发明方法进行极弧系数扩展后，气隙磁密更加接近方波，通过方波控制可以减小电机转矩脉动、振动和噪声。

附图说明

图1是本发明的一种内置式无刷直流电机极弧系数扩展方法的计算流程图。

图2为钕铁硼35SH在150℃时退磁曲线。

图3为内置式无刷直流电机极弧系数扩展前后转子示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

由于内置式无刷直流电机极弧系数大小与转子上永磁体的空间分布有关，永磁体宽度越宽，电机极弧系数越大。若将槽尖角部分填充永磁体可以扩展永磁体的宽度，极弧系数随之加大，使得无刷直流电机气隙磁密更加接近方波，方波控制该无刷直流电机转矩脉动和噪声会减小。然而，当电机工作温度高于某值时，绕组产生的退磁磁场超过一定值后，永磁体退磁曲线会急剧下降，新的恢复曲线不再与退磁曲线重合，产生不可逆退磁，退磁后的永磁体向外提供的磁密急剧减小，重复工作甚至导致永磁体完全失磁，所以在永磁体向槽尖角扩展时需要校核最小厚度，避免发生尖角退磁，同时可以防止永磁体浪费。

基于上述思想，如图1所示，本发明的考虑尖角退磁影响的永磁电机极弧系数扩展方法具体过程如下：

1)确定永磁体退磁曲线拐点k处的退磁磁场强度H_k

尖角退磁发生在高温条件下，长时间工作的大功率密度永磁电机内部温度在100℃以上，本实施例电机工作温度约为150℃，选择150℃钕铁硼35SH退磁曲线拐点k处的磁场强度来计算的永磁体最小边缘厚度，如图2所示，拐点k处退磁磁场强度大小为H_k＝487000A/m；

2)确定无刷直流电机额定工作时每极最大去磁磁势F_adm

电机长时间处于额定工作状态时温度升高，之后电机绕组电流产生的退磁磁场会导致永磁体发生不可逆退磁，所以，要估算永磁体的最小厚度需要首先确定电机额定工作时每极最大去磁磁势，计算公式是其中，I_a为额定工作电流，W_Φ为每相绕组串联匝数，K_W为绕组系数，p为极对数。本实施例的内置式无刷直流电机转子示意图如图3所示，其额定电流I_a＝50A，每相绕组串联匝数W_Φ＝42，绕组系数K_W＝0.96，极对数p＝3，则可计算得到每极最大去磁磁势为F_adm＝581.9A。

3)计算永磁体最小边缘厚度h_min

根据磁势等于距离乘磁场强度可得永磁体最小边缘厚度等于每极最大去磁磁势F_adm除以磁场强度H_k，计算公式为h_min＝F_adm/H_k，本实施例最小厚度为h_min＝1.19mm。

4)重新设计永磁体

永磁体槽的形状与尺寸由预取极弧系数α_p和隔磁桥宽度c决定，如图3所示，本实施中永磁体边缘顶点与A点重合，永磁体形状和永磁体槽一致，槽边缘位置形成槽尖角，该位置有一部分没有永磁体填充。其中，α_p＝α/β，α是永磁体边缘间的夹角，即每极永磁体两个边缘上端分别与槽的交点A、A’与转子轴心O之间连线的夹角，β是极距对应的角度，本实施例中预取极弧系数α_p为0.83，永磁体边缘间的夹角α＝50°，极距对应的角度β＝60°。

为避免尖角退磁的发生，以永磁体最小边缘厚度h_min为永磁体加宽的边界条件，即令扩展后永磁体的边缘厚度h₁＝h_min，依托永磁体槽型结构，利用AutoCAD直接在槽尖角内画出永磁体边缘，按照扩展前后永磁体边缘保持平行的原则，永磁体边缘仍与槽边缘AB垂直，即h₁//h，如图3所示，扩展后得到的新永磁体是原永磁体和永磁体扩展部分的和，该过程永磁体的外形发生了改变，利用AutoCAD可直接测量永磁体各部分尺寸，并进行标注。

永磁体宽度扩展后，永磁体边缘间的夹角变大，可通过AutoCAD测量得到：新永磁体上端边缘与槽产生新的交点C₁、C₂，从转子轴心O向这两点作辅助线，测量两条线段之间夹角，即扩展后永磁体边缘间的夹角α₁＝55.8°。

5)计算扩展后内置式无刷直流电机的极弧系数α_pmax

按α_pmax＝α₁/β扩展后的极弧系数α_pmax，本实施例扩展后的极弧系数为α_pmax＝0.93，可以看出较预取极弧系数增大很多。需要说明的是：α_pmax是能避免尖角退磁的最大极弧系数，优化过程中取(α/β，α_pmax]之间任何值都可以避免尖角退磁现象发生。