一种降低分数槽永磁电机电磁振动的方法

本发明涉及永磁电机设计与制造领域，特别涉及一种降低分数槽永磁电机电磁振动的方法。

背景技术：

1、分数槽永磁电机具备高转矩密度、高功率密度和高效率等优点，在智能家居，伺服作动及船舶推进等领域有十分广阔的应用前景。然而分数槽电机过于接近的极槽数，使得阶次等于极数和槽数最大公约数的非零最低阶径向力波的阶次较低，容易造成较大的电磁振动。此外，高阶径向力波在通过定子齿向外传递时会由于尼奎斯特-香农定理出现采样混叠，使得幅值较大的高阶径向力发生调制而作用于低阶振动响应，极大地加剧了电机的电磁振动。在被调制的高阶径向力波中，2p次力波由转子基波磁场与自身相互作用而产生，幅值最大，对电磁振动的贡献最高，但与此同时，转子基波磁场直接参与电磁转矩的生成，若采用减小转子基波磁场的方法也会同时大幅度降低电机的电磁输出性能。

2、中国专利cn107579606b公开了一种低振噪性能的分数槽集中绕组永磁电机及设计方法，通过改变定子结构，降低气隙中绕组磁动势中齿谐波的含量，从而降低电机的振动和噪声；但该方法增加了电机的复杂度，且仅仅适用于特定的绕组类型，不具有通用性。

技术实现思路

1、发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种降低分数槽永磁电机电磁振动的方法，以削弱电机中径高阶向力波的齿调制作用，减小高阶力波通过调制作用产生的二阶形变的幅值，进而达到减小电磁振动的目的。

2、技术方案：本发明的一种降低分数槽永磁电机电磁振动的方法，包括如下步骤：

3、步骤1，建立分数槽永磁电机电磁力波及径向力齿调制的解析模型，得到径向力波时空阶次特征；

4、步骤2，通过电磁力波径向传递机理和定子齿采样混叠条件进行解析分析，获得通过齿调制作用于低阶振型且对电磁振动有最大影响的高阶径向力波；

5、步骤3，根据分数槽电机的转子极数2p与定子齿数ns的关系对分数槽永磁电机进行类型划分，对ns<2p的电机采用全齿同标准的优化方案，对ns>2p的电机采用相邻齿不同标准的优化方案，实现电磁振动的削弱。

6、进一步，步骤1中的解析模型表达式如下：

7、

8、式中，fr(θs,t)表示径向力函数，θs表示沿圆周方向的角位置，t表示时间，br(θs,t)表示气隙径向磁密，μ0表示相对磁导率，fpm(θs,t)表示永磁磁动势，λ(θs)表示磁导函数。

9、进一步，步骤2包括：

10、根据jordan公式，大于等于2阶的径向力引起的振动位移幅值表示为：

11、

12、式中，yn为电机定子铁心在空间阶次为n的径向电磁力波作用下产生的径向位移，ris为定子铁心内半径，ryoke为定子铁心的轭部平均半径，hyoke为定子铁心的轭部高度，e为定子铁心的杨氏模量，fr为径向力幅值；

13、非零阶振动的幅值近似与电磁力波空间阶次的4次方成反比，低阶力波更容易使电机产生更大的振动，需要重点关注非零最低阶径向力，即gcd(ns,2p)阶径向力；虽然高阶力波产生的振动形变很小，但若径向力的阶次m满足m>ns/2则会在沿径向向外传递时发生径向力调制作用，使得高阶径向力被调制为低阶径向力，从而同样能够产生较大的电磁振动，调制后的径向力阶次为：

14、m'＝|m-kns|

15、式中，m表示径向力波调制前的空间阶次，k表示磁导谐波的阶数；

16、根据径向力的幅值及阶次的解析计算，由转子基波磁动势自身作用而产生的径向力幅值最大，对应的阶次为2p次，此时调制后的阶次为：

17、m'＝|2p-ns|

18、且根据分数槽电机的设计和极槽配合选用原理，调制后的阶次满足：

19、m'＝|2p-ns|＝gcd(ns,2p)

20、即2p阶径向力在被调制后作用于非零最低阶，即gcd(ns,2p)阶，同样对电磁振动产生较大的影响。

21、进一步，步骤3包括：

22、当ns<2p时，将分数槽永磁电机的全部定子齿定义为i型齿并进行i型优化，进行i型优化时齿靴对应的圆周角度满足下式：

23、θi＝π/p

24、其中，p为转子极对数。

25、进一步，步骤3还包括：

26、当ns>2p时，计算极数和槽数的最大公约数gcd(ns,2p)，当gcd(ns,2p)为偶数时，相邻定子齿分别采用i型齿和ii型齿沿圆周方向交错排布；

27、当gcd(ns,2p)为奇数时，则以gcd(ns,2p)个齿靴为一个单元，每个单元内采用gcd(ns,2p)+1)/2个i型齿和(gcd(ns,2p)-1)/2个ii型齿沿圆周方向交错排布；

28、对i型齿进行i型优化，对ii型齿进行ii型优化。

29、进一步，进行ii型优化时的齿靴宽度满足下式：

30、θⅱ<(2π/p-2π/ns)。

31、有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

32、1、本发明通过针对不同极槽配合的电机制定不同的优化方案，对定子齿靴进行尺寸优化，极大地削弱高阶径向力的调制作用，降低由2p阶径向力为主的大幅值高阶径向力所引起的电磁振动；

33、2、本发明通过对相邻齿进行不同的齿靴宽度优化方法，将径向力波的齿调制通道划分为两类，每类调制通道数量对等，均为总齿数的一半，以改变有效调制通道数量的方式，使2p次径向力波经调制后产生的力波的低阶分量部分转换为高阶分量，从而降低其对电磁振动的贡献。

技术特征：

1.一种降低分数槽永磁电机电磁振动的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的降低分数槽永磁电机电磁振动的方法，其特征在于，步骤1中的解析模型表达式如下：

3.根据权利要求2所述的降低分数槽永磁电机电磁振动的方法，其特征在于，步骤2包括：

4.根据权利要求3所述的降低分数槽永磁电机电磁振动的方法，其特征在于，步骤3包括：

5.根据权利要求4所述的降低分数槽永磁电机电磁振动的方法，其特征在于，步骤3还包括：

6.根据权利要求5所述的降低分数槽永磁电机电磁振动的方法，其特征在于，进行ii型优化时的齿靴宽度满足下式：

技术总结
本发明公开了一种降低分数槽永磁电机电磁振动的方法，通过建立电磁力波及径向力齿调制的解析模型，确定对电磁振动有较大影响的径向力波阶次，并依据极槽数确定齿靴尺寸优化范围，针对各种分数槽电机极槽配合，采用不同的定子齿靴尺寸约束和优化方案，以调整高阶径向力波的径向传输路径的方式实现径向力波调制作用的削弱，使得高阶径向力在各个齿上产生的径向传递的集中力最小化，从而有效降低由高阶径向力造成的电磁振动。

技术研发人员：郭跃东,王凯,朱姝姝,李烽
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17