一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构及其设计方法与流程

本发明涉及一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构及其设计方法。

背景技术：

近年来，新能源汽车快速发展起来，其对电机的效率、性价比以及安全性等提出了很多要求，现阶段的驱动电机主要是异步电机和永磁同步电机。异步电机虽然结构简单，技术成熟，但效率和功率密度低，达不到电机对高性能的要求；永磁同步电机高效可靠，调速范围宽，但随着永磁体材料价格的上涨，其生产成本越来越高。因此，提出了永磁体辅助式同步磁阻电机(permanentmagnetassistedsynchronousreluctancemachine，以下简称pmasynrm)，其永磁体的用量相对较少且为低廉的铁氧体材料。pmasynrm成本低、过载能力较好、恒功率运行范围宽，相比同步磁阻电机提高了功率因数、效率。所以，如何设计铁氧体结构减小pmasynrm转矩脉动，提高效率和功率因数，成为近几年研究的热点问题。

pmasynrm与同步磁阻电机十分相似，仅是在转子的某些隔磁槽中插入永磁体材料。文献[yanweiwang,giacomobacco,nicolabianchi.geometryanalysisandoptimizationofpm-assistedreluctancemotors[j].ieeetransactionsonindustryapplications,2017,53(5):4338-4347.]考虑到转子磁障的层数，绝缘比，分流比和每极每相槽数，并且从磁阻电机开始分析，然后嵌入永磁体，研究永磁体宽度对转矩，功率因数和弱磁能力的影响。但是，这个方法加大了设计者的工作量和生产成本，也增加了电机的转矩脉动。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种能够使pmasynrm减少转矩脉动和提高功率因数的新型转子结构。在已设计好的同步磁阻电机的转子磁障结构的基础上，采用倒三角的形式插入永磁体材料，并且利用taguchi算法优化永磁体尺寸。与有限元法相比，此方法简单易行，缩短计算时间；相比于同步磁阻电机，减少了转矩脉动，提高了电机的效率和功率密度。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是：

一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构，包括nl层绝缘屏障和nl+1层导磁硅钢片，绝缘屏障与导磁硅钢片间隔布置，nl层绝缘屏障由内至外逐渐减小，每层绝缘磁障由中间向两边面积逐渐减小，其特征在于，nl层绝缘磁障中部设置有倒三角型的永磁体结构，即永磁体长度由最外层逐步递减到最内层，倒三角型为等腰三角形，等腰三角形顶点夹角为θ，倒三角形顶点到轴心的距离为l；每个永磁体均为长方形，位于同侧的永磁体的下顶点均在同一条直线上，以绝缘磁障内侧长度为长方形的长，长方形的宽为对应绝缘磁障层紧挨q轴的一端宽度，定义转子每层永磁体长度的一半为xi，i＝1～nl，位于最外层的永磁体的数量为1，其余层的永磁体数量均为2，且其余层的两个永磁体均以q轴为对称轴对称设置。

一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构的设计方法，该方法的步骤是：

第一步：确定永磁体辅助式同步磁阻电机(pmasynrm)的结构参数：

测量得到pmasynrm的结构参数，包括定子、转子，定子结构包括定子槽数、定子齿槽结构，转子结构包括极对数、磁障层数、铁芯长度、定子内径与转子外径间的气隙长度；

第二步：确定倒三角型永磁体结构插入位置：

将永磁体辅助式同步磁阻电机的永磁体结构设计为倒三角型，且为等腰三角形，即永磁体长度由最外层逐步递减到最内层；倒三角形顶点到轴心的距离为l，等腰三角形顶点夹角为θ，三角形与绝缘磁障重叠的部分为插入的永磁体位置，每层得到的永磁体为类梯形结构；定义转子每层永磁体长度的一半为xi，i＝1,2,···,nl，位于最外层的永磁体的数量为1，其余层的永磁体数量均为2，且其余层的两个永磁体均以q轴为对称轴对称设置；最外层永磁体长度不能超过对应绝缘磁障的长度，最内层单个永磁体长度要大于1mm；倒三角形的顶点到轴心距离l和对应的等腰三角形顶点夹角θ的最大值θmax都有限制范围，通过仿真实验，初步得到转子每层绝缘磁障插入永磁体的长度值；

第三步：taguchi优化pmasynrm转子永磁体尺寸：

分别对每层永磁体结构进行局部优化调整：首先给出倒三角形的顶点到轴心距离l，以及等腰三角形顶点夹角θ的优化范围，并在该优化范围内，改变倒三角形的顶点到轴心距离l，以及等腰三角形顶点夹角θ来比较转矩脉动和功率因数的大小；

其次，根据仿真分析将第二步得到的类梯形永磁体结构改成长方形，每层的两个永磁体长度相等，以绝缘磁障内侧长度为长方形的长，以绝缘磁障紧挨q轴的一端宽度为长方形的宽；

再次为局部优化过程：在转子每层永磁体长度的一半xi的水准范围内进行taguchi优化设计，找到不同xi下的转矩脉动值和功率因数；最后通过仿真优化结果，选择电机性能最佳的永磁体长度。

与现有的永磁体辅助式同步磁阻电机相比，本发明具有如下的有益效果：

1.现有的永磁体辅助式同步磁阻电机的永磁体长度基本上是由外到内依次增加或者是一样长度，而本发明设计的是倒三角形的永磁体结构，最外层永磁体最长，进而使得气隙磁通密度更趋于正弦，使得齿槽转矩变小。并且转矩脉动有所减小功率因数有所提高，节省了永磁体材料，降低成本。通过实验表明，本申请的新型永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构能过有效的降低50％的转矩脉动，提高23％的功率因数，还使永磁体体积比原本的小了26％，节省了生产成本。

2.本发明首先通过仿真分析倒三角形的顶点到轴心距离l，以及等腰三角形顶点夹角θ的优化范围，然后基于taguchi优化方法，仅需要已知原有电机本体结构的某些结构参数尺寸就可以获得更高电机性能的pmasynrm结构，并利用最少的实验获得各个参数的最佳组合，与有限元法相比减少了计算机内存资源的占用，缩短了优化设计的时间。

本发明思路和方法可以适用于目前使用的多种类型的永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构的优化设计中。

附图说明

图1为本发明永磁体辅助式同步磁阻电机倒三角形永磁体安放位置示意图。

图2为本发明永磁体辅助式同步磁阻电机长方形永磁体安放位置示意图。

图3为本发明新型永磁体辅助式同步磁阻电机的一种实施例的倒三角形的顶点到轴心距离l与转矩脉动和功率因数关系曲线图。

图4为本发明新型永磁体辅助式同步磁阻电机的一种实施例的倒三角形的等腰三角形顶点夹角θ与转矩脉动和功率因数关系曲线图。

图5为本发明新型永磁体辅助式同步磁阻电机的一种实施例的转子每层永磁体长度的一半xi与转矩脉动关系曲线图。

图6为本发明新型永磁体辅助式同步磁阻电机的一种实施例的转子每层永磁体长度的一半xi与功率因数关系曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细叙述本发明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不限定本申请的保护范围。

本发明一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构，包括nl层绝缘屏障和nl+1层导磁硅钢片，绝缘屏障与导磁硅钢片间隔布置，nl层绝缘屏障由内至外逐渐减小，每层绝缘磁障由中间向两边面积逐渐减小，nl层绝缘磁障中部设置有倒三角型的永磁体结构，即永磁体长度由最外层逐步递减到最内层，倒三角型为等腰三角形，等腰三角形顶点夹角为θ，倒三角形顶点到轴心的距离为l；每个永磁体均为长方形，位于同侧的永磁体的下顶点均在同一条直线上，以绝缘磁障内侧长度为长方形的长，长方形的宽为对应绝缘磁障层紧挨q轴的一端宽度，定义转子每层永磁体长度的一半为xi，i＝1～nl，位于最外层的永磁体的数量为1，其余层的永磁体数量均为2，且其余层的两个永磁体均以q轴为对称轴对称设置。

本发明还保护一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构的设计方法，该方法的步骤是：

第一步：确定永磁体辅助式同步磁阻电机(pmasynrm)的结构参数：

测量得到pmasynrm的结构参数，包括定子、转子，定子结构包括定子槽数、定子齿槽结构，转子结构包括极对数、磁障层数、铁芯长度、定子内径与转子外径间的气隙长度；

第二步：确定倒三角型永磁体结构插入位置：

将永磁体辅助式同步磁阻电机的永磁体结构设计为倒三角型，且为等腰三角形，即永磁体长度由最外层逐步递减到最内层；倒三角形顶点到轴心的距离为l(单位mm)，等腰三角形顶点夹角为θ(单位°)，三角形与绝缘磁障重叠的部分为插入的永磁体位置，每层得到的永磁体为类梯形结构；由于转子磁障层数的限值，第一层永磁体长度不能超过绝缘磁障的长度的限制，以及第四层永磁体材料要大于1mm的限值，使得倒三角形顶点到轴心的距离l和等腰三角形顶点夹角θ的都有取值范围，通过仿真实验，在原始转子每层绝缘磁障中插入永磁体材料；

第三步：taguchi优化pmasynrm转子永磁体尺寸：

将第二步得到的类梯形永磁体结构(第二步得到的永磁体是近似的梯形，因为绝缘磁障是圆弧形的，且外侧长度比内侧长度长)改成长方形，以降低生产加工难度，更有利于进行局部优化；分别对每层永磁体结构进行局部优化调整：首先给出倒三角形的顶点到轴心距离l，以及等腰三角形顶点夹角θ的优化范围，并在此范围内改变倒三角形的顶点到轴心距离l，以及等腰三角形顶点夹角θ来比较转矩脉动和功率因数的大小；其次把每层的永磁体改成长度一致的长方形结构，根据仿真分析得出当以绝缘磁障内侧长度为长方形的长，以绝缘磁障紧挨q轴的一端宽度为长方形的宽时，电机转矩脉动较小且成本更低，并定义转子每层永磁体长度的一半为xi(i＝1,2,···,nl)(单位mm)，每层永磁体宽度与绝缘末端宽度保持一致；再次为局部优化过程，在转子每层永磁体长度的一半xi的水准范围内进行taguchi法设计，找到不同xi下的转矩脉动值和功率因数；最后通过仿真优化结果，适当选择电机性能最佳(此处是以转矩脉动小，功率因数大为标准)的永磁体长度。

以下实施例中的pmasynrm是以横向叠片转子电机为例。

图1所示为本发明永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构的倒三角形永磁体安放位置示意图，图中l表示倒三角形的顶点到轴心距离(单位mm)，θ表示等腰三角形顶点夹角(单位°)。

图2所示本发明永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构的长方形永磁体安放位置示意图，图中xi表示转子每层的永磁体长度的一半(单位mm)。

图3为本发明永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构一种实施例的倒三角形的顶点到轴心距离l与转矩脉动和功率因数关系曲线图，利用taguchi优化算法得出的结果图，其中横坐标为倒三角形的顶点到轴心距离l(单位mm)，左纵坐标表示的是转矩脉动，右纵坐标表示的是功率因数。

图4为本发明新型永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构一种实施例的等腰三角形顶点夹角θ与转矩脉动和功率因数关系曲线图，利用taguchi优化算法得出的结果图，其中横坐标为等腰三角形顶点夹角θ(单位°)，左纵坐标表示的是转矩脉动，右纵坐标表示的是功率因数。

图5为本发明新型永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构的一种实施例的转子每层永磁体长度的一半xi与转矩脉动关系曲线图，利用taguchi优化算法得出的结果图，横坐标为转子每层永磁体长度的一半xi(单位mm)，纵坐标为pmasynrm的转矩脉动。

图6为本发明新型永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构一种实施例的转子每层永磁体长度的一半xi与功率因数关系曲线图，利用taguchi优化算法得出的结果图，横坐标为转子每层永磁体长度的一半xi(单位mm)，纵坐标为pmasynrm的功率因数。

实施例

本实施例是以pmasynrm为实施对象，其转子结构是由硅钢片和绝缘塑料(或电工纸等绝缘材料)交替叠压而成，特别的是pmasynrm在绝缘材料当中放入一定量的永磁体材料，硅钢片是一种导磁性材料，且物理特性表现为各向异性，即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同。

改善本实施例永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构的转矩脉动和功率因数的转子结构优化设计的具体步骤如下：

第一步：确定永磁体辅助式同步磁阻电机(pmasynrm)的结构参数：

测量得到pmasynrm的结构参数，包括定子、转子，所述定子结构包括定子槽数、定子齿槽结构，所述转子结构包括极对数、磁障层数、铁芯长度、定子内径与转子外径间的气隙长度；pmasynrm定子结构采用的是y160-4m型号的三相异步电动机定子，其主要参数由：定子外径260mm、定子内径170mm、并联支路数为1，线圈匝数为28、铁芯有效长度l为155mm；具体其他尺寸参数可详见赵博、张洪量所著的，由中国水利水电出版社2010年出版的《ansoft12在工程电磁场中的应用》一书；

第二步：确定倒三角型永磁体结构参数：

将永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构的永磁体结构设计为倒三角型，即永磁体长度由第一层逐步递减到最后一层；给定倒三角形的顶点到轴心距离为l(单位mm)，以及等腰三角形顶点夹角为θ(单位°)，夹角内部为永磁体材料。由于转子磁障层数和长度的限制，倒三角形的顶点到轴心距离l和对应的等腰三角形顶点夹角θ的最大值θmax都有限制范围；通过仿真实验，初步得到转子每层绝缘磁障插入永磁体的长度值，以减少转矩脉动，提高功率因数；

表1为倒三角形的顶点到轴心距离l和等腰三角形顶点夹角θ与转矩脉动(％)的初始仿真结果；

表2为倒三角形的顶点到轴心距离l和等腰三角形顶点夹角θ与功率因数的初始仿真结果；

第三步：taguchi优化pmasynrm转子永磁体尺寸：

将第二步得到的永磁体结构改成长方形，以降低生产加工难度，更有利于进行局部优化；分别对每层永磁体长度进行局部优化调整：首先给出倒三角形的顶点到轴心距离l，以及等腰三角形顶点夹角θ的优化范围，并在此范围内改变倒三角形的顶点到轴心距离l，以及等腰三角形顶点夹角θ来比较转矩脉动和功率因数的大小；其次在此基础上把每层的永磁体改成长度一致的长方形结构，根据仿真分析得出当以绝缘磁障内侧长度为长方形边长时，电机转矩脉动较小且成本更低，并定义转子每层永磁体长度的一半为xi(i＝1,2,3,4)(单位mm)，每层永磁体宽度与绝缘磁障紧挨q轴的一端宽度保持一致；再次为局部优化过程，在转子每层永磁体长度的一半xi的水准范围内进行taguchi优化设计，找到不同xi下的转矩脉动和功率因数；最后通过仿真优化结果，适当选择电机性能最佳的永磁体长度；

表3为转子每层永磁体长度的一半xi为待优化参数的水准取值；

表4为转子每层永磁体长度的一半xi的正交试验设计方案表。

本实施例采用的是倒三角形的插入永磁体材料，通过适当的增加第一层永磁体，使气隙磁密更均匀，减少齿槽转矩和气隙磁密谐波，并且逐层减少永磁体材料可在不影响电机性能的前提下尽可能降低成本。给定倒三角形的顶点到轴心距离为l(单位mm)，以及等腰三角形顶点夹角为θ(单位°)，夹角内部为永磁体材料。由于转子磁障层数为四层，第一层永磁体长度不能超过绝缘磁障的长度的限制，且第四层永磁体材料要大于1mm，倒三角形顶点到轴心距离l和对应的等腰三角形顶点夹角θ的最大值都有限制范围，即10≤l≤30，36≤θ≤48。两个参数对转矩脉动和功率因数的影响可见表1和表2的实验仿真结果值，并且能够初步得到转子每层绝缘磁障插入永磁体的长度值，尽可能减少转矩脉动，提高功率因数。进一步将永磁体结构改成长方形，以降低生产加工难度，更有利于进行局部优化，首先给出倒三角形的顶点到轴心距离l，以及等腰三角形顶点夹角θ的优化范围，并在此范围内改变倒三角形的顶点到轴心距离l，以及等腰三角形顶点夹角θ来比较转矩脉动和功率因数的大小；其次把每层的永磁体改成长度一致的长方形结构，根据仿真分析得出当以绝缘磁障内侧长度为长方形边长时，电机转矩脉动较小且成本更低，并定义转子每层永磁体长度的一半为xi(i＝1,2,···,nl)(单位mm)，每层永磁体宽度与绝缘末端宽度保持一致；再次为局部优化过程，表3所述的是xi的水准范围，在此范围内采用taguchi优化方法对xi设计，找到不同xi下的转矩脉动值和功率因数，具体数据为表4所示，通过均值和方差比重的计算可以得出，若要使转矩脉动最小，则xi依次取31mm、11mm、9mm、4mm，转矩脉动为5.75％，功率因数为0.713，若要使功率因数最大，则xi依次取32mm、13mm、9mm、4mm，转矩脉动为6.47％，功率因数为0.742；最后通过仿真优化结果，折中考虑转矩脉动和功率因数的影响，适当选择电机性能最佳的永磁体长度。

本发明涉及一种新型永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构，即倒三角形的永磁体辅助式同步磁阻电机pmasynrm。通过对倒三角形顶点到轴心距离l和对应的等腰三角形顶点夹角θ进行仿真实验，得出初始永磁体结构。在此基础上，微调永磁体结构为长方形，并通过taguchi方法对每层永磁体长度的一半进行优化，逐步提高功率因数和减少转矩脉动，并且尽可能的节省永磁体材料，根据性能要求折中选择永磁体尺寸，进而得到最终的电机模型。

对于为本发明的示范性实施例，应当理解为是本发明的权利要求书的保护范围内其中的某一种示范性示例，具有对本领域技术人员实现相应的技术方案的指导性作用，而非对本发明的限定。

表1l(mm)和θ(°)与转矩脉动(％)的初始仿真结果

表2l(mm)和θ(°)与功率因数的初始仿真结果

表3待优化参数xi(mm)的水准取值

表4xi(mm)的正交试验设计方案表

本发明未述及之处均适用于现有技术。