一种减少永磁电机齿槽转矩的装置、永磁电机及方法与流程

本发明属于电机领域，更具体地，涉及一种减少永磁电机齿槽转矩的装置、永磁电机及方法。

背景技术：

随着永磁材料性能的不断提高，永磁电机越来越广泛地应用于高性能的速度和位置控制系统，然而在永磁电机中，永磁体和有槽电枢铁心相互作用，不可避免地产生齿槽转矩，导致转矩波动，引起振动和噪声，影响系统的控制精度。

为了解决上述问题，现有技术提出了多种方法，如图1所示，将永磁体沿轴向上均匀分段，然后这多段永磁体沿圆周方向错开一定的角度，通过此方法减小电机的齿槽转矩。该方法虽然能在一定程度上减小齿槽转矩，但是由于轴向上各段磁极错开了一定的角度，各段产生的转矩会发生相位偏移，对电机的转矩输出会产生一定的影响。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种减少永磁电机齿槽转矩的装置、永磁电机及方法。其目的在于解决现有永磁电机齿槽转矩脉动大的技术问题；本发明提供一种减少永磁电机齿槽转矩的装置、永磁电机及方法，显著地减小齿槽转矩，同时不影响电机的转矩输出。

作为本发明的一方面，本发明提供一种减少永磁电机齿槽转矩的装置，包括：

铁芯以及设置在所述铁芯周围的永磁体单元，所述永磁体单元包括n段永磁体，n段永磁体分为m段正永磁体和n-m段负永磁体，m段正永磁体和n-m段负永磁体沿轴向同轴排列于同一圆柱面；

m段正永磁体记为第1段正永磁体，……，第i段正永磁体，……，第m段正永磁体，且第i段正永磁体的极弧系数为使得第i段正永磁体的齿槽转矩在前半周期为正值；

n-m段负永磁体记为第1段负永磁体，……，第j段负永磁体，……，第n-m段负永磁体，第j段负永磁体极弧系数为使得第j段负永磁体的齿槽转矩在前半周期为负值；

其中，1≤i≤n，1≤j≤n-m，m＜n，k、m均为整数，i为正永磁体次序，j为负永磁体次序，n为永磁体总段数，m为正永磁体的数量，ns为槽数，np为极数，nl是槽数ns和极数np的最小公倍数。

优选地，n段永磁体的厚度相等，正永磁体数量等于负永磁体数量，第i段正永磁体的极弧系数与第j段负永磁体的极弧系数满足

其中，为第i段正永磁体的极弧系数，为第j段负永磁体的极弧系数，i的数值与j数值相等，l为整数。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种永磁电机，包括定子与转子，所述转子为权利要求1所述装置。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种减少永磁电机齿槽转矩的方法，包括如下步骤：

在转子铁芯周围设置m段正永磁体和n-m段负永磁体，m段正永磁体和n-m段负永磁体沿轴向同轴排列于同一圆柱面；

每段正永磁体的极弧系数为使每段正永磁体的齿槽转矩在前半周期为正值；

每段负永磁体的极弧系数为使每段负永磁体的齿槽转矩在前半周期为负值；实现减少永磁体齿槽转矩；

其中，m＜n，k、m为整数，n为正永磁体和负永磁体总数量，m为正永磁体的数量，ns为槽数，np为极数，nl是槽数ns和极数np的最小公倍数。

优选地，当所述任意正永磁体厚度和任意负永磁体厚度相同且正永磁体数量等于负永磁体数量时，第i段正永磁体的极弧系数与第j段负永磁体的极弧系数满足公式

其中，为第i段正永磁体的极弧系数，为第j段负永磁体的极弧系数，i的数值与j数值相等，1≤i≤m，1≤j≤n-m，l、n均为整数。

总体而言，通过本发明所提出的方法与现有技术相比，能够取得的有益效果为：

1、将永磁体单元沿轴向分成多段，让正永磁体的极弧系数为使正永磁体的齿槽转矩在前半周期为正值，后半周期为负值，让负永磁体的极弧系数为使负永磁体的齿槽转矩在前半周期为负值，后半周期为正值。由于永磁体齿槽转矩为n段永磁体齿槽转矩之和，在前半周期，负永磁体的齿槽转矩和正永磁体的齿槽转矩相互抵消，可以更为显著地减小齿槽转矩同时不影响电机的转矩输出。

2、当将永磁体单元沿轴向等分成多段，让正永磁体的数量与负永磁体的数量相同，且设置正永磁体的极弧系数和负永磁体的极弧系数，使正永磁体的齿槽转矩与负永磁体的齿槽转矩完全抵消，实现永磁体总齿槽转矩完全抵消。

3、本发明提供的方法以永磁体齿槽转矩为目标函数，以各段永磁体的极弧系数为优化参数，采用智能优化算法，选择最优的永磁体极弧系数组合。

附图说明

图1是现有技术提供的永磁电机斜极结构示意图；

图2是本发明提供的减少永磁电机齿槽转矩的装置结构示意图；

图3是本发明提供的减少永磁电机齿槽转矩的装置实施例中采用解析法获得的各段永磁体的齿槽转矩；

图4是永磁电机斜极时采用有限元法获得的各段永磁体的齿槽转矩；

图5是永磁电机斜极时采用有限元法获得的永磁体的总输出转矩；

图6是本发明提供的减少永磁电机齿槽转矩的装置实施例中采用有限元法获得的各段永磁体的齿槽转矩；

图7是本发明提供的减少永磁电机齿槽转矩的装置实施例中采用有限元法获得的永磁体的总输出转矩；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的减少永磁电机齿槽转矩的装置，该装置包括铁芯以及永磁体单元，永磁体单元排列于铁芯周围，永磁体单元包括n段永磁体，n段永磁体分为m段正永磁体和n-m段负永磁体，m段正永磁体和n-m段负永磁体沿轴向同轴排列于同一圆柱面；

m段正永磁体记为第1段正永磁体，……，第i段正永磁体，……，第m段正永磁体，且第i段正永磁体的极弧系数为使得第i段正永磁体的齿槽转矩在前半周期为正值；

n-m段负永磁体记为第1段负永磁体，……，第j段负永磁体，……，第n-m段负永磁体，第j段负永磁体极弧系数为使得第j段负永磁体的齿槽转矩在前半周期为负值；

其中，1≤i≤n，1≤j≤n-m，m＜n，k、m、n均为整数。

每段永磁体的齿槽转矩的表达式为：

式中，lef是每段永磁体轴向有效长度，bδ是气隙磁密最大值，ns为槽数，np为极数，r2是气隙外径，r1是气隙内径，μo是真空的磁导率，nl是槽数ns和极数np的最小公倍数，β是槽口宽度与齿距之间的比值，αp是极弧系数，α是转子位置角。

第i段正永磁体的极弧系数为代入上述齿槽转矩的表达式中，齿槽转矩tcog(α)为正弦函数，齿槽转矩tcog(α)在前半周期为正值，在后半周期为负值，齿槽转矩tcog(α)的初始相位为0，幅值与每段正永磁体的轴向有效长度以及电机其他参数相关。

第j段负永磁体的极弧系数为代入上述齿槽转矩的表达式中，齿槽转矩tcog(α)为正弦函数，齿槽转矩tcog(α)在前半周期为负值，在后半周期为正值，齿槽转矩tcog(α)的初始相位为0，幅值与每段负永磁体的轴向有效长度以及电机其他参数相关。

电机永磁体单元的齿槽转矩为所有正永磁体的齿槽转矩与所有负永磁体的齿槽转矩之和。在前半周期内，各段正永磁体的齿槽转矩为正值，各段负永磁体的齿槽转矩为负值，正永磁体的齿槽转矩与负永磁体的齿槽转矩相互抵消。在后半周期内，各段正永磁体的齿槽转矩为负值，各段负永磁体的齿槽转矩为正值，正永磁体的齿槽转矩与负永磁体的齿槽转矩相互抵消。因此，本发明提供永磁电机齿槽转矩显著减少。

另外，各段正永磁体之间、各段负永磁体之间以及正永磁体与负永磁体之间均未发偏移，故各段正永磁体的转矩初始相位与各段负永磁体的转矩初始相位均相同，永磁体总转矩为各段正永磁体的转矩与各段负永磁体的转矩之和，因此，相较于采用斜极式结构的永磁电机输出转矩而言，采用不同极弧系数对永磁电机输出转矩影响更小。

当任意正永磁体厚度与任意负永磁体厚度相等，且正永磁体数量等于负永磁体数量时，第i段正永磁体的极弧系数与第j段负永磁体的极弧系数满足如下公式：

其中，为第i段正永磁体的极弧系数，为第j段负永磁体的极弧系数，i的数值与j的数值相同，l为整数。

可以实现第i段正永磁体齿槽转矩的幅值与第j段负永磁体齿槽转矩的幅值相同，进而可以实现第i段正永磁体齿槽转矩与第j段负永磁体齿槽转矩完全抵消，进而实现永磁体总齿槽转矩完全抵消。

图2为本发明提供的减少永磁电机齿槽转矩的装置的结构示意图，该装置应用于8极12槽的表贴式径向永磁同步电机，该装置包括铁芯31以及永磁体单元，永磁体单元包括4段永磁体，每段永磁体沿轴向同轴排列于同一圆柱面，第2段负永磁体42位于第1段负永磁体41下方，第1段正永磁体43位于第2段负永磁体42下方，第2段正永磁体44位于第1段正永磁体43下方。第1负永磁体41的极弧系数为0.8，第2负永磁体42的极弧系数为0.7。第1正永磁体43的极弧系数为0.6，第2正永磁体44的极弧系数为0.5。当极弧系数在0.5-0.6时，永磁体齿槽转矩在前半个周期的相位正的，当极弧系数在0.7-0.8时，永磁体齿槽转矩在前半个周期的相位是负的。正永磁体与负永磁体的上下位置关系不限于上述排列方式，可以为任意的上下位置关系，即第1段负永磁体41、第1段正永磁体43、第2段负永磁体42以及第2正永磁体44从上至下依次排列，或第1段负永磁体41、第2段正永磁体44、第2段负永磁体42以及第1正永磁体43从上至下依次排列。

图3是本发明提供的减少永磁电机齿槽转矩的装置实施例中采用解析法获得的各段永磁体的齿槽转矩；由图可知，极弧系数为0.5和0.6时，齿槽转矩在前半周期为正，极弧系数为0.7和0.8时，齿槽转矩在前半周期为负。

图4是永磁电机斜极时采用有限元法获得的各段永磁体的齿槽转矩；该永磁电机的磁钢与不同极弧系数的永磁电机的磁钢用量相同，永磁体被分为三段，第二段永磁体相对第一段永磁体偏移5°，第三段永磁体相对第二段永磁体偏移5°，第二段永磁体且偏移方向与第三永磁体偏移方向相同。

图5是永磁电机斜极时采用有限元法获得的永磁体的总输出转矩；由于永磁体采用斜极式，每段永磁体输出转矩的初始相位不同，对转子分段斜极式永磁电机输出转矩影响大。

图6是本发明提供的减少永磁电机齿槽转矩的装置实施例中采用有限元法获得的各段永磁体的齿槽转矩；可看出采用本发明提出的方法齿槽转矩减小得更小。

图7是本发明提供的减少永磁电机齿槽转矩的装置实施例中采用有限元法获得的永磁体的总输出转矩；在磁钢用量相同的情况下，不同极弧系数永磁体产生的平均转矩比斜极式永磁体产生的平均转矩更大。

图4至图7可知，本发明提出的不同极弧系数的永磁电机不仅能更为显著地消除齿槽转矩，同时可以不影响电机的转矩输出。

本发明提供的减少永磁电机齿槽转矩的方法第一实施例，包括如下步骤：

在转子铁芯周围设置m段正永磁体和n-m段负永磁体，m段正永磁体和n-m段负永磁体沿轴向同轴排列于同一圆柱面。

从n段永磁体中任意选择m段永磁体，m段永磁体记为第1段正永磁体，第2段正永磁体，……，第i段正永磁体，……，第m段正永磁体，第i段正永磁体的极弧系数为其中，1≤i≤n，k、n均为整数。

剩余的第n-m段永磁体记为第1段负永磁体、第2段负永磁体、……、第j段负永磁体、……、第n-m段负永磁体，第j段负永磁体的极弧系数为1≤j≤n-m，m为整数。

将电机永磁体单元在轴向上分段分成多段永磁体，各段永磁体采用不同的极弧系数，使这几组不同的极弧系数下，齿槽转矩的相位有正有负,从而削弱了合成的齿槽转矩，同时不影响电机的平均转矩输出。

当永磁体被等分成n段，且正永磁体数量等于负永磁体数量时，第i段正永磁体的极弧系数与第j段负永磁体的极弧系数满足如下公式：

其中，为第i段正永磁体的极弧系数，为第j段负永磁体的极弧系数，i的数值与j的数值相同，l为整数。

可以实现正永磁体的齿槽转矩和负永磁体的齿槽转矩可以完全抵消，进而使得永磁体总齿槽转矩为零。

在本发明提供的减小永磁电机齿槽转矩方法之上，通过有限元仿真，利用遗传算法将齿槽转矩最小值作为优化目标，对每段的极弧系数进行优化，选取最优的极弧系数组合，进一步减少永磁电机齿槽转矩。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。