一种混合式转子连续极永磁同步电机及降低其转矩脉动的方法与流程

本发明涉及到混合式转子连续极永磁同步电机的设计，特别是混合式转子连续极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：

现如今永磁同步电机已经得到了广泛的应用，从汽车到航空航天的众多领域，永磁同步电机都扮演着十分重要的角色。这主要得益于永磁同步电机的几个显著特点，包括高转矩密度、高效率以及重量体积小等。永磁同步电机采用了高磁能积的磁性材料取代了传统的励磁绕组，不仅消除了励磁绕组带来的负面影响，而且简化了电机的机械结构，使电机运行可靠性提高，机械损耗也相应的减小。

一般来说，连续极永磁同步电机为表嵌式连续极永磁同步电机，该电机具有高转矩密度和高永磁体利用率，但是同时也具有高转矩脉动、永磁体在过载时容易发生退磁现象。

许多永磁同步电机采用功率密度高的稀土永磁，而永磁体价格昂贵，是永磁同步电机的主要成本。而连续极永磁同步电机可以大幅提高永磁体利用率，因此，近年来研究连续极永磁同步电机成为热点。连续极永磁体在分数槽集中绕组电机中可以大幅提高永磁体利用率，因此它们可以降低电机的材料成本。但是现有连续极永磁体几乎没有应用于整数槽分布绕组永磁同步电机中。连续极永磁体一旦应用于整数槽分布绕组电机中，会带来高的转矩脉动。虽然连续极永磁同步电机拥有一系列的优点，但对于要求苛刻的高性能应用，如电动转向系统、伺服电机、风力发电机、电动汽车驱动系统等应用仍然面临许多困难。这些应用对电机的工作稳定性方面提出了很高的要求，即电机的输出转矩脉动要尽可能小，从而实现平稳精确的推力传动，因此研究削减输出转矩脉动是非常具有价值的。综上所述，研究削弱连续极整数槽永磁同步电机的输出转矩脉动是非常具有价值的。

目前，对于分数槽集中绕组连续极永磁同步电机转矩脉动的抑制，国内外都有比较深入的研究，如优化极弧系数、采用多层绕组、采用斜槽、优化转子结构等方法。但对于整数槽连续极永磁同步电机转矩脉动的抑制技术非常有限，并且研究较少。其次，对于不等极弧系数法，现有技术只针对于齿槽转矩的降低，且仅用于传统非连续极永磁同步电机中。而在目前应用广泛的内嵌式或表嵌式电机当中，转矩脉动的来源不仅仅局限于齿槽转矩，它还可能来源于永磁转矩和磁阻转矩，而齿槽转矩只占据转矩脉动的极小部分。在此基础上，只局限于非连续极永磁同步电机的齿槽转矩的分析是远远不够的。所以，如何有效地降低整数槽连续极永磁同步电机的转矩脉动中的主要谐波，是需要重点研究的方向。传统连续极永磁同步电机永磁体涡流损耗大、永磁体在过载时易发生退磁现象，因此减少永磁体涡流损耗和增强永磁体抗退磁能力对于提高电机效率和可靠性是非常有意义和必要的。综上所述，研究混合式转子连续极永磁同步电机及降低其转矩脉动的方法是非常有意义和必要的。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种混合式转子连续极永磁同步电机，该电机将表嵌式永磁体和轮辐式永磁体混合，形成一种新型混合式转子连续极永磁同步电机，该混合式转子连续极永磁同步电机具有低成本、高转矩密度、高可靠性和高效率等特点。针对上述现有技术存在的高转矩脉动问题，本发明提供了一种降低混合式转子连续极永磁同步电机转矩脉动的方法，通过优化混合式转子连续极永磁同步电机表嵌式永磁体的极弧系数、表嵌式永磁体的厚度、轮辐式永磁体的长度和宽度，从而达到转矩脉动降低的效果。在多变量优化后的混合转子连续极永磁同步电机的基础上，对轮辐式永磁体进行角度偏移，进一步降低电机的转矩脉动。

本发明的目的是，提出一种低成本、低脉动、高转矩密度、高可靠性和高效率的混合式转子连续极永磁同步电机及降低其转矩脉动的方法。

本发明采用的技术方案是：一种混合式转子连续极永磁同步电机转子结构，包括表嵌式永磁体、轮辐式永磁体、转子铁芯；其中所述表嵌式永磁体为2n块，n＝1、2、3…，形状设计结构为弧形结构，永磁体径向充磁方向一致，对称表嵌在转子铁芯内侧圆周上，每一块表嵌式永磁体永磁体和相邻的转子铁芯构成一对极；所述轮辐式永磁体为4n块，形状设计为长方形结构，两两对称内置在转子铁芯上，每两块相邻轮辐式永磁体构成一对极，每一块表嵌式永磁体和相邻两个轮辐式永磁体在空间上交错分布，相邻两个轮辐式永磁体之间的夹角偏移之前为45°/n，偏移之后每两个轮辐式永磁体均向两者的中心线偏移θ/n角度；该电机转子结构关于水平线和竖直线对称。

进一步，所述表嵌式永磁体为2块，轮辐式永磁体为4块。

进一步，偏移角度θ为1°。

本发明的一种降低混合式转子连续极永磁同步电机转矩脉动的方法，包括以下步骤：

步骤1，通过提高永磁同步电机的相数，从而提高电机的转矩脉动周期数，降低电机转矩脉动；

步骤2，通过优化混合式转子表嵌式永磁体的极弧系数、表嵌式永磁体的厚度、轮辐式永磁体的长度和宽度，从而降低转子磁动势中引起转矩脉动的分量，再次降低转矩脉动；

步骤3，在得到的优化电机的模型基础上，对轮辐式永磁体进行角度偏移θ，从而达到进一步降低转矩脉动的目的。

进一步，所述步骤1中的永磁同步电机为五相，其转矩脉动tpul的计算公式为：

其中，μ0是空气的磁导率，p为极对数，g是气隙长度，rg是中间气隙的半径，l是叠片堆叠长度，γd表示为电流角，h为谐波阶次，fsh和frh分别为h阶定子和转子磁动势。所以能够产生转矩脉动的定转子磁动势谐波阶次为：h＝10m±1，m＝1,2,3…，则影响转矩脉动的转子气隙磁密的谐波阶次为：h＝10m±1，m＝1,2,3…；和传统的三相电机相比，将电机设计为五相电机，电机的转矩主脉动阶次从6m次提升到10m(m＝1,2,3…)次。

进一步，所述步骤2中的优化表嵌式永磁体的极弧系数为0.65、表嵌式永磁体的厚度4.1mm、轮辐式永磁体的长度为18.4mm、轮辐式永磁体的宽度为4.8mm，从而减小影响转矩脉动的转子气隙磁密的谐波阶次(10m±1，m＝1,2,3…)，即转子磁动势中引起转矩脉动的谐波阶次(10m±1，m＝1,2,3…)，因此，所提出的混合式转子连续极永磁同步电机为多变量优化电机转矩提供了基础。

进一步，所述步骤3中的偏移角度θ为1°。

进一步，表嵌式永磁体的极弧系数为0.5-0.7，表嵌式永磁体的厚度与表嵌式永磁体所对应的转子铁芯内外径之差的比为0.1-0.16:1，轮辐式永磁体的长度与表嵌式永磁体所对应的转子铁芯内外径之差的比为0.5-0.8:1，轮辐式永磁体的长度与轮辐式永磁体所对应的转子铁芯内外径之差的比为0.5:1；该转子铁芯的四个内圆弧相对于圆心均为90°。

本发明采用的有益效果是：

1.表嵌式永磁体的极弧系数为0.5-0.7，表嵌式永磁体的厚度与表嵌式永磁体所对应的转子铁芯内外径之差的比为0.1-0.16:1，轮辐式永磁体的长度与表嵌式永磁体所对应的转子铁芯内外径之差的比为0.5-0.8:1，轮辐式永磁体的长度与轮辐式永磁体所对应的转子铁芯内外径之差的比为0.5:1；该转子铁芯的四个内圆弧相对于圆心均为90°，保证了该永磁电机可以同时兼顾高永磁体利用率和高转矩密度这两个优点。

2.本发明中混合式转子连续极永磁同步电机，为减小连续极永磁同步电机的转矩脉动提供了可能，不局限于降低齿槽转矩带来的转矩脉动，还能够有效地减小永磁转矩或磁阻转矩带来转矩脉动，优化反电势以及减小最终的输出转矩脉动，使电机在稳定性方面有明显的提升。

3.本发明的混合式转子连续极永磁同步电机，可以降低永磁体涡流损耗和增强电机永磁体在过载时的抗去磁能力。

4.本发明的混合式转子连续极永磁同步电机，同时兼具低成本、低脉动、高转矩密度、高可靠性和高效率，可以比较全面的提高电机的性能。

5.本发明的降低连续极电机转矩脉动的方法可以应用于不同的相数或者不同槽极配合的电机，使得不同的电机可以达到类似的效果。

本发明的一种混合式转子连续极永磁同步电机是将连续极表嵌式永磁体和轮辐式永磁体进行有机地结合，创造出一种新型混合式转子连续极永磁同步电机。首先，将电机设计为五相电机，和传统的三相电机相比，电机的转矩主脉动阶次从6m(m＝1,2,3…)次提升到10m(m＝1,2,3…)次，因此在设计电机时，从根本上降低电机转矩脉动。其次，通过优化表嵌式永磁体的极弧系数、表嵌式永磁体的厚度、轮辐式永磁体的长度和宽度，从而减小影响转矩脉动的转子气隙磁密的谐波阶次(10m±1，m＝1,2,3…)，即转子磁动势中引起转矩脉动的谐波阶次(10m±1，m＝1,2,3…)，从而达到再次降低转矩脉动的效果。在多变量优化后的混合转子连续极永磁同步电机的基础上，对轮辐式永磁体进行角度偏移，进一步降低电机的转矩脉动。

附图说明

图1为本发明中传统连续极永磁同步电机(原电机)的结构示意图。

图2为本发明中混合式转子连续极永磁同步电机(实施例电机)的结构示意图。

图3为本发明中原电机和实施例电机的转子气隙磁密比较图。

图4为本发明中原电机和实施例电机的转子气隙磁密谐波分析图。

图5为本发明中原电机和实施例电机的反电势比较图。

图6为本发明中原电机和实施例电机的反电势谐波分析图。

图7为本发明中原电机和实施例电机的齿槽转矩比较图。

图8为本发明中原电机和实施例电机的输出转矩比较图。

图9为本发明中原电机和实施例电机的输出转矩谐波分析图。

图10为本发明中原电机和实施例电机的输出转矩损耗比较图。

图11为本发明中原电机和实施例电机的效率比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1为本发明中传统连续极永磁同步电机(原电机)的结构示意图。如图1所示，传统连续极永磁同步电机包括外定子1和内转子2；所述外定子1包括40个定子槽和嵌在其中的电枢绕组3；所述内转子2包括转子铁芯、4个弧形永磁磁极4。

图2为本发明中混合式转子连续极永磁同步电机(实施例电机)的结构示意图。如图2所示，提出的五相混合式转子连续极永磁同步电机包括外定子1和内转子2；所述外定子1包括40个定子槽和嵌在其中的电枢绕组3；所述内转子2包括转子铁芯、2个弧形永磁磁极4和4个轮辐式永磁磁极5，且轮辐式永磁体发生了θ角度偏移。

下面以五相混合式转子连续极永磁同步电机为例，其结构和方法步骤下所示。

步骤1，一种混合式转子连续极永磁同步电机转子结构，其特征在于：所述新型混合式转子连续极永磁同步电机转子结构包括表嵌式永磁体、轮辐式永磁体、转子铁芯；其中所述表嵌式永磁体为2块，形状设计结构为弧形结构，永磁体径向充磁方向一致，对称表嵌在转子铁芯内侧圆周上，每一块表嵌式永磁体永磁体和相邻的转子铁芯构成一对极；所述轮辐式永磁体为4块，形状设计为长方形结构，两两对称内置在转子铁芯上，每两块相邻，每两块相邻轮辐式永磁体构成一对极，每一块表嵌式永磁体和相邻两个轮辐式永磁体在空间上交错分布，相邻两个轮辐式永磁体之间的夹角偏移之前为45°，轮辐式永磁体偏移之后，每两个轮辐式永磁体均向两者的中心线偏移θ/n角度；表嵌式永磁体的极弧系数为0.5-0.7，表嵌式永磁体的厚度与表嵌式永磁体所对应的转子铁芯内外径之差的比为0.1-0.16:1，轮辐式永磁体的长度与表嵌式永磁体所对应的转子铁芯内外径之差的比为0.5-0.8:1，轮辐式永磁体的长度与轮辐式永磁体所对应的转子铁芯内外径之差的比为0.5:1；该转子铁芯的四个内圆弧相对于圆心均为90°；永磁体充磁方向如图2白色箭头所示；该电机内转子关于水平线和竖直线对称。

步骤2，通过提高电机的相数，从而提高电机的转矩脉动周期数，降低电机转矩脉动；五相永磁同步电机转矩脉动tpul的计算公式为：

其中，μ0是空气的磁导率，p为极对数，g是气隙长度，rg是中间气隙的半径，l是叠片堆叠长度，γd表示为电流角，h为谐波阶次，fsh和frh分别为h阶定子和转子磁动势。所以能够产生转矩脉动的定转子磁动势谐波阶次为：h＝10m±1，m＝1,2,3…，则影响转矩脉动的转子气隙磁密的谐波阶次为：h＝10m±1，m＝1,2,3…；和传统的三相电机相比，将电机设计为五相电机，电机的转矩主脉动阶次从6m(m＝1,2,3…)次提升到10m(m＝1,2,3…)次，因此，在设计电机时，从根本上降低电机转矩脉动。

步骤3，所提出的混合式转子连续极永磁同步电机为多变量优化电机提供了基础，优化后的表嵌式永磁体的极弧系数为0.65、表嵌式永磁体的厚度4.1mm、轮辐式永磁体的长度为18.4mm、轮辐式永磁体的宽度为4.8mm，从而减小影响转矩脉动的转子气隙磁密的谐波阶次(10m±1，m＝1,2,3…)，即转子磁动势中引起转矩脉动的谐波阶次(10m±1，m＝1,2,3…)，从而减小转矩脉动；因此，所提出的混合式转子连续极永磁同步电机为多变量优化电机转矩提供了基础。

步骤4，在得到的优化电机的模型基础上，对轮辐式永磁体进行θ角度偏移，从而达到进一步降低转矩脉动的目的；所述偏移角度θ为1°。

图1为传统连续极永磁同步电机的结构示意图，本发明以其为原电机。

图2为混合式转子连续极永磁同步电机的结构示意图，本发明以其为实施例电机。本发明在原电机基础上进行混合式转子(pm1和pm4为表嵌式永磁体，pm2、pm3、pm5和pm6为轮辐式永磁体)，得到实施例电机，将二者的性能相比较，说明本发明的有益效果。

图3和图4分别表示原电机和实施例电机转子气隙磁密及其谐波分析方面的比较。如图3所示，在使用混合式连续极转子之后，9、11、19和21次转子气隙磁密谐波大幅减少，这表示9和11次转子磁动势谐波将会大幅减少。

图5和图6分别表示原电机和实施例电机在反电势及其谐波分析方面的比较。如图6所示，电机使用混合式转子后，不仅空载反电势的谐波含量减少了，而且基波的幅值略微上升，这表示电机在转矩脉动方面的性能有了很大的提升的同时，平均转矩仅略微上升。可以看出，在使用混合式连续极转子之后，9、11、19和21次反电势谐波大幅减少，这表示转矩脉动的1和2次主要谐波(10^th和20^th谐波)会被大幅削弱。

图7为本发明中原电机和实施例电机的齿槽转矩比较图。由图7所示可以看出，由于混合式转子的使用，实施例电机的齿槽转矩大幅下降，由10.82nm下降到了2.09nm。

图8和图9反映了原电机和实施例电机在最终的输出转矩及其谐波分析方面的比较。与原电机相比，实施例电机的转矩脉动的1次主要谐波显著降低。实施例电机的转矩脉动大幅降低，转矩脉动从原来的67.5％下降到了6.7％。且输出转矩平均值由19.04nm上升到了19.10nm。同时从图9也可以看出，转矩脉动的1和2次主要谐波(10^th和20^th谐波)被大幅削弱。

图10为本发明中原电机和实施例电机的损耗比较图。由图10所示可以看出，由于混合式转子的使用，实施例电机的铁耗略微下降，由29.73w下降到了29.09w，永磁体涡流损耗由2.17w下降到了1.36w。

图11为本发明中原电机和实施例电机的效率比较图。由图11所示可以看出，由于混合式转子的使用，实施例电机的效率略微上升，由94.38％上升到了94.44％。

综上，本发明公开了一种混合式转子连续极永磁同步电机及降低其转矩脉动的方法。一种混合式转子连续极永磁同步电机，包括:外定子和内转子。所述外定子包括定子槽和嵌在其中的五相电枢绕组；所述内转子包括转子铁芯、弧形永磁磁极和轮辐式永磁磁极。一种降低混合式转子永磁同步电机转矩脉动的方法，具体包括：将传统的连续极永磁同步电机和轮辐式永磁同步电机结合，形成一种新型混合式转子连续极永磁同步电机。首先，将电机设计为五相电机，和传统的三相电机相比，电机的转矩主脉动阶次从6m(m＝1,2,3…)次提升到10m(m＝1,2,3…)次，因此在设计电机时，从根本上降低电机转矩脉动。其次，传统的连续极弧形表嵌永磁体为优化混合式转子连续极永磁同步电机提供了可能，可以通过优化表嵌式永磁体的极弧系数、表嵌式永磁体的厚度、轮辐式永磁体的长度和宽度，降低转子磁动势中引起转矩脉动的谐波阶次(10m±1，m＝1,2,3…)，从而达到转矩脉动再次降低的效果。然后，在得到的优化电机的模型基础上，对轮辐式永磁体进行进一步地角度偏移，进一步降低转矩脉动。表嵌式永磁体和内嵌式轮辐式永磁体混合后形成一种新型混合式转子连续极永磁同步电机，该电机有效地克服了传统连续极电机转矩脉动大、永磁体涡流损耗大、永磁体在过载时容易退磁的弊端，且增强了电机永磁体抗退磁能力，同时保持了原电机转矩密度大和永磁体利用率高的特点，即该电机具有低成本、低脉动、高转矩密度、高可靠性和高效率等特点。

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。