一种降低假分数槽绕组永磁同步电机转矩脉动的优化方法与流程

本发明涉及一种采用假分数槽绕组永磁同步电机的设计，特别是永磁同步电机转矩脉动的降低方法，属于电机制造的技术领域。

背景技术：

永磁电机的几个突出特点，包括高转矩密度、高效率、结构简单以及重量体积小等。永磁电机取消了励磁系统损耗，提高了效率；取消了励磁绕组和励磁电源，简化了电机的机械结构，使电机运行可靠性提高。

作为高性能永磁同步电机中需要考虑的重要问题之一，齿槽转矩是永磁同步电机研究的重要内容。在很多应用场合都需要永磁同步电机提供平稳的转矩输出，因此，对其转矩脉动抑制方法的研究很有现实意义。

降低开口槽永磁同步电机齿槽转矩的方法有：采用磁性槽楔、定子铁心斜槽、转子斜极、非均匀气隙、分数槽绕组等。其中,磁性槽楔对降低齿槽转矩的效果不够明显，而且磁性槽楔因其强度较差会影响电机的可靠性；定子铁心斜槽对降低齿槽转矩的效果很好，理论上可以将齿槽转矩降低到零，但是对于开口槽成型绕组电机,由于线圈形状复杂而造成嵌线困难、工艺实现较困难,尤其是在斜槽角度较大的情况下，并且由于斜槽系数的存在会降低电机的利用率；转子斜极对降低齿槽转矩的效果较好,当采用合适的斜极角度和分段数，可使齿槽转矩降到满意的程度，但转子斜极在表面式磁路结构电机中较易实施，而对于内置式永磁同步电机，采用此结构会对永磁体的嵌装、铁心的叠压等造成很大困难，因此较少使用。定子斜槽和转子斜极的方法还会使电机漏磁增加，降低转矩。

在实际设计中就存在某些电机的齿槽转矩比较难优化，主要原因是极槽配比选择不合理。分数槽绕组作为降低齿槽转矩的另一种方法,由于其嵌线和连线比较复杂，在闭口槽散嵌电机中优势不明显，但在开口槽永磁同步电动机中，由于可降低定子斜槽和转子斜极带来的工艺难度，是一种降低齿槽转矩的较好方法。采用分数槽绕组电机有利于降低齿槽转矩的原理在于:基于按单槽齿槽转矩相位角相同分组时，每组的槽数较小，其总齿槽转矩也较小，所以可降低齿槽转矩，从而减小转矩脉动。同时利用分数槽绕组的等效分布作用和对齿谐波反电势的削弱作用,以达到改善电势波形和提高绕组利用率的效果。然而传统永磁同步电机采用整数槽绕组，按单槽齿槽转矩相位角相同分组时，每组的槽数为转子极数，所以齿槽转矩和转矩脉动较高,限制了其在要求低转矩脉动、高控制精度、高可靠性的场合的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对现有永磁同步电机的不足，本文提出一种用于削弱齿槽转矩的方法，即如何选择一种采用假分数槽绕组的低转矩脉动永磁同步电机，能够避免定子斜槽和转子斜极的同时，大大降低了电机的齿槽转矩和转矩脉动，同时利用分数槽绕组的等效分布作用和对齿谐波反电势的削弱作用,以达到改善电势波形和提高绕组利用率的效果，且具有良好的工艺性。

针对上述问题，一种降低假分数槽绕组永磁同步电机转矩脉动的优化方法，其设计步骤包括：

步骤1、从电机的齿槽转矩周期和单槽齿槽转矩的相位，对电机的齿槽转矩进行分析。

步骤2、分析电机极槽配比对齿槽转矩的影响，基于按单槽齿槽转矩相位角相同分组时，每组的槽数n较小时，其总齿槽转矩也较小，来合理选择电机定转子的极数。

步骤3、确定电机的转子极数2p和相数m,根据n＝1选择定子槽数。

步骤4、保持电机的主要尺寸不变，建立不同的分数槽绕组永磁电机齿槽转矩有限元仿真模型，比较电机齿槽转矩的大小。

步骤5、对采用假分数槽绕组的不同电机模型按60^°相带进行分相，电机绕组为双层短距绕组；

步骤6、选择出齿槽转矩较小的假分数槽永磁同步电机，然后综合分析电机的各项性能，最终选择出k值较大的电机，且径向力较小的分数槽永磁电机。

步骤1包括:齿槽转矩的周期在定转子相对位置变化一个齿距的范围内，齿槽转矩的变化是周期性变化的，变化的周期数取决于极数和槽数组合。周期数np为极数、槽数与极数最大公约数的比值(其中p为极对数，z为槽数)，即；相邻单槽齿槽转矩相差的相位角，同一个单槽齿槽转矩的波峰与波峰之间相位相差180电角度。

步骤2包括:在单槽齿槽转矩按同相位角分组时，每组的槽数为n，其中，因为每组的槽数为整数，所以n＝gcd(z,2p)，式中gcd表示电机槽数z与极数2p的最大公约数。电机同时开z个槽的齿槽转矩，其第一个波峰是由单槽齿槽转矩按同相位角分组时的一组齿槽转矩的波峰叠加引起的。因此在电机设计过程中，选择电机槽数z与极数2p的最大公约数较小的电机，有利于减小齿槽转矩，从而减小电机的转矩脉动。

步骤3包括:所选择的电机槽数z与极数2p的最大公约数为1，定子槽数具有构成假分数槽绕组的基本条件，即z/m＝j(j为整数)，且z>2mp。

步骤4包括:保持转子不变，仅改变定子槽数，建立不同的分数槽绕组永磁电机有限元仿真模型，对电机添加零电流激励，仿真电机齿槽转矩，比较电机齿槽转矩峰峰值大小。

步骤5包括:分数槽绕组可利用槽电势相量星形图分析，再根据电机极距选择线圈节距，所述极距，电机绕组连接方式为双层短距绕组。

步骤6包括:k＝tavg/tripple，tavg为电机平均转矩,tripple为电机转矩脉动，k值大小能客观地衡量平均转矩与转矩脉动的关系,k值越大，则电机的平均转矩较大，且转矩脉动较小。使用k能较为方便的选择性能良好的采用假分数槽永磁同步电机。

所述永磁同步电机包括外定子、内转子、电枢绕组、永磁体、气隙；气隙设置在所述外定子和内转子之间；所述外定子包括45个定子槽和嵌在其中的双层短距电枢绕组；所述内转子包括转子铁芯和8个永磁磁极，外定子的槽数与永磁体极数的最大公约数为1。

有益效果:

1.通过一种降低假分数槽绕组永磁同步电机转矩脉动的优化方法，能够快速地削弱电机的齿槽效应，降低其齿槽转矩，使得转矩输出更平稳。

2.本发明相对于采用磁性槽楔、定子铁心斜槽、转子斜极，采用所提出的方法选择的分数槽绕组具有良好的工艺性，制造较为简便，可节约电机成本。

3.本发明提出的分数槽定子结构，使得电机在永磁体的极数一定的情况下，减小了定子绕组的槽数，有效地解决电机转速较低、极数较多而电机槽数又有限的矛盾。

4.本发明中的双层短距绕组结构，削弱了一定阶次的谐波，有效地改善了电机性能。

附图说明

图1为采用本发明实施例电机的结构示意图。

图2为传统整数槽永磁同步电机的结构示意图。

图3为采用本发明方法实施例电机与传统永磁同步电机的空载反电动势对比图。

图4为采用本发明方法实施例电机与传统永磁同步电机的齿槽转矩对比图。

图5为采用本发明方法实施例电机与传统永磁同步电机的输出转矩对比图。

图1、图2中标号名称：1、外定子，2、内转子，3、电枢绕组，4、永磁体，5、气隙。

具体实施方式

下面以三相表嵌式永磁同步电机为例，其方法步骤如下所示。

步骤1、从电机的齿槽转矩周期和单槽齿槽转矩的相位，对电机的齿槽转矩进行分析。

步骤2、分析电机极槽配比对齿槽转矩的影响，基于按单槽齿槽转矩相位角相同分组时，每组的槽数n较小时，其总齿槽转矩也较小，来合理选择电机定转子的极数。

步骤3、确定电机的转子极数2p＝8和相数m＝3,定子槽数具有构成假分数槽绕组的基本条件，即z/m＝j(j为整数)，且z>2mp，所以z可选27,30,33,36,39,42,45等。

步骤4、保持电机的主要尺寸不变，建立不同的分数槽绕组永磁电机齿槽转矩有限元仿真模型，比较电机齿槽转矩的大小。

步骤5、对不同电机模型按60°相带进行分相，电机绕组为双层短距绕组。

步骤6、选择出齿槽转矩较小的假分数槽永磁同步电机，然后综合分析电机的各项性能，最终选择出k值较大的电机，且径向力较小的分数槽永磁电机。发现z＝27,33,39,45时，k值较大。然后比较四种电机的径向力大小，发现z＝45时，其径向力最小。所以最终选择z＝45的电机。

优选实施例三相表嵌式永磁同步电机如图1所示，所述永磁同步电机包括外定子(1)、内转子(2)、电枢绕组(3)、永磁体(4)、气隙(5)；气隙(5)设置在所述外定子(1)和内转子(2)之间；所述外定子(1)包括45个定子槽和嵌在其中的双层短距电枢绕组(3)；所述内转子(2)包括转子铁芯和8个永磁磁极(3)，外定子(1)的槽数与永磁体(4)极数的最大公约数为1。

为了清楚阐述使用本发明方法的优选实施电机，下面将结合附图中的优选三相电机实施例，对本发明方法加以说明。由图1，可以看到，外定子(1)上有45个定子槽；转子上表嵌8块相邻极性相反，径向充磁的永磁体(4)；电枢采用的是双层短距绕组(3)；值得注意的是，使用本发明方法，得到电机的定子槽数为45，永磁体极数为8，满足所提出具有低齿槽转矩、低转矩脉动的关系，即基于按单槽齿槽转矩相位角相同分组时，每组的槽的数目n＝1。

图2为传统整数槽永磁同步电机结构，外定子(1)上48个定子槽；转子上表嵌8块相邻极性相反，径向充磁的永磁体(4)；电枢采用的是双层短距绕组(3)；值得注意的是，未使用本发明方法的传统电机，定子槽数为48，永磁体极数为8，不满足所提出具有低齿槽转矩和转矩脉动的关系。

图3比较了传统整数槽永磁同步电机和使用本发明方法的实施例电机的空载反电动势波形，可以看出本发明方法的实施例电机削弱了一定阶次的谐波，空载反电势波形更为正弦。

图4比较了传统整数槽永磁同步电机和使用本发明方法的实施例电机的齿槽转矩，可以看出本发明方法的实施例电机的齿槽转矩大大降低了。与原电机相比，实施例电机的齿槽转矩峰峰值有了大幅的降低，从原来的1123.8mn下降到了35.6mn。

图5比较了传统整数槽永磁同步电机和使用本发明方法的实施例电机的输出转矩，可以看出使用本发明方法的实施例电机的转矩输出更平稳。与原电机相比，实施例电机的输出转矩并没有下降，均为6.3n。与原电机相比，实施例电机的输出转矩峰峰值有了大幅的降低，从原来的1.97n下降到了0.26n，转矩脉动从31.3％下降到了4.1％。

综上，一种降低假分数槽绕组永磁同步电机转矩脉动的优化方法，仅通过合理地选择定子和转子的极数，就可以有效削弱电机的齿槽效应，大大减小电机的齿槽转矩和转矩脉动，不仅改善了电机性能，而且具有良好的工艺性，因此具有更广泛的应用前景。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。