一种永磁同步电机齿槽转矩脉动抑制方法

本发明属于永磁同步电机控制领域，具体地说，涉及一种永磁同步电机齿槽转矩脉动抑制方法。

背景技术：

随着科技发展与工业进步，电力驱动系统及电机在各个领域的应用越来越广泛，其中包括电动产品、工业制造、交通运输、以及国防技术等。其中永磁同步电机由于具有效率高、功率因数大、可靠性强、重量轻、结构简单、体积小、噪声小等显著性优点而被广泛应用。但不可避免的，永磁同步电机也存在着一些缺陷，其中转矩脉动是永磁电机的一个固有缺陷。转矩脉动受到电机结构与参数、控制策略等因素的影响，包括电枢反应引起的转矩脉动、电磁因素引起的转矩脉动、电流换向引起的转矩脉动、齿槽效应引起的转矩脉动、机械加工引起的转矩脉动，其中齿槽转矩脉动是由于电机本身的齿槽物理结构而存在，是永磁体与电枢齿相互作用的切向分量力的波动引起的一种振荡转矩，这种作用力试图将电枢齿和永磁体的位置保持对齐，即使在永磁电机的绕组不通电时也会产生。而转矩脉动会导致电机的振动和噪声，从而在应用中对电机系统产生影响，如，影响电机速度控制系统的低速性能，影响位置控制系统中的高精度定位，影响伺服控制系统的控制特性和运行可靠性，对于风电系统，存在起动阻力矩，从而影响风电效率。当转矩脉动频率与电机定子或者转子的共振频率相同时，会放大电机中的振动与噪声，极大地影响了电机的性能。

传统抑制齿槽转矩脉动的方法有磁极偏移、定子斜槽或转子斜极、极槽配合、永磁体形状优化、极弧系数组合、辅助槽、不等齿宽以及不等槽口宽等方法，并且都已经有较多实验验证与实际应用。但是传统的方法均为从电机本体设计上进行优化，改变了电机的结构，使电机制造工艺更加复杂，增加了电机制造成本，甚至会由于工艺复杂引入机械加工因素引起的转矩脉动。并且电机制造之后具有不可逆性，不同场合或者工况下需要进行不同的电机设计，降低了电机的利用率。因此，抑制转矩脉动具有十分重要的意义。

鉴于此，急需提出具有一定动态适应性的永磁同步电机齿槽转矩脉动抑制方法，以在不增加电机制造成本的基础上，在各种场合下优化电机的运行性能。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提出了一种永磁同步电机齿槽转矩脉动抑制方法，该方法以永磁同步电机齿槽转矩脉动的抑制为目标，从电机动态控制的角度，提出了一种基于动态磁补偿的齿槽转矩的削弱方案，以改善现有削弱方法需要改变电机结构设计，增加电机制造工艺复杂度的缺陷，解决电机制造后其本身存在的转矩脉动问题以及只可用于特定场合的问题。

(二)技术方案

本发明为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，提供了一种永磁同步电机齿槽转矩脉动抑制方法，在假设电机齿槽被简化为矩形，且永磁体的磁导率为无穷大的条件下，该方法包括以下步骤：

步骤s1：确定齿槽转矩表达式；永磁同步电机的转子在任何位置时其齿槽转矩可由表示；其中，w是电机内部的能量，α是定转子相对位置角；

步骤s2：确定电机内部的能量

其中，μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10^-7h/m，b(θ,α)为磁通密度，θ为磁极中心线偏离齿槽转矩为零位置的角度，v是气隙磁场体积。

步骤s3：在任何位置，磁通密度为得其中，br(θ)为θ角处的剩磁密度，hm为永磁体磁化方向长度，函数g(θ,α)为有效气隙长度；

步骤s4：分别对br²(θ)和进行傅里叶分解，得到离散的分解式

其中，n为谐波次数，p为极对数，qs是电机槽数，g0为相对气隙磁导函数，br0＝αbr²(θ)，gn和brn为傅里叶展开式的系数；

步骤s5：将离散的分解式代入到齿槽转矩中，得到齿槽转矩表达式其中，la为电枢轴向长度，r1为电枢外径，r2为定子轭内径；

步骤s6：根据电机的机械特性，抵消n次谐波所需的转矩tc'为其中g为气隙长度，r为永磁体的位置，μr为r处的磁导率，fpm1和fgap1分别为永磁体和气隙磁场的基波幅值，a为极弧系数,其中ia为三相电流的有效值；

步骤s7：给电机定子侧注入有效值为ia的三相电流，ia由tc＝tc'得到。

进一步的，所述永磁同步电机具体为表贴式永磁同步电机或内置式永磁同步电机。

在另外一方面，该检测方法作为一种适于通过软件实现的方法，本发明还公开了一种永磁同步电机齿槽转矩脉动抑制系统，包括：

至少一个处理器以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项所述的永磁同步电机齿槽转矩脉动抑制方法。

在另外一方面，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的永磁同步电机齿槽转矩脉动抑制方法。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的技术关键点在于：a)将齿槽转矩的公式进行傅里叶变换，得到不同阶次的谐波表达式；b)分别注入不同频率的电流将各个阶次的齿槽转矩谐波进行消除，达到对电机齿槽转矩削弱的目的。因此本发明是从电机动态控制的角度提出的一种新的对电机的齿槽转矩进行削弱的方法，该方法能减少电机设计制造的成本和复杂度，可根据不同工况的需求，对电机的齿槽转矩进行削弱，有效地增加了电机的利用率，且通过软件计算和控制即可实现，以使得同种电机能够在多种场合中有效应用。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明中永磁同步电机的定转子位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1的永磁同步电机的定转子位置图所示，该图中假设槽被简化为矩形，且永磁体的磁导率为无穷大，故本发明从电机动态控制的角度考虑，提出了一种新方法对电机的齿槽转矩进行削弱，运用傅里叶变换的方法分析了齿槽转矩的表达式，提出了一种动态磁补偿的概念，利用电机齿槽转矩各个阶次的谐波，通过注入不同频率的电流，以消除它们产生的齿槽转矩的脉动。同时，给出了电流注入的公式，从而提出一种可消除多次谐波的齿槽转矩脉动抑制方法。

在假设电机齿槽被简化为矩形，且永磁体的磁导率为无穷大的条件下，本发明提出的永磁同步电机齿槽转矩脉动抑制方法，具体包括以下步骤：

步骤s1：确定齿槽转矩表达式；表贴式永磁同步电机和内置式永磁同步电机的转子在任何位置时其齿槽转矩可由表示；其中，w是电机内部的能量，α是定转子相对位置角；

步骤s2：确定电机内部的能量

其中，μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10^-7h/m，b(θ,α)为磁通密度，θ为磁极中心线偏离齿槽转矩为零位置的角度(具体可参见图1)，v是气隙磁场体积；

步骤s3：永磁体和开槽电枢之间的相对位置可参见图1，则在任何位置，磁通密度为将其代入步骤s2中的公式后，即得

其中，br(θ)为θ角处的剩磁密度，hm为永磁体磁化方向长度，函数δ(θ,α)为有效气隙长度；

步骤s4：分别对br²(θ)和进行傅里叶分解，得到离散的分解式

其中，n为谐波次数，p为极对数，qs是电机槽数，g0为相对气隙磁导函数,br0＝αbr²(θ)，gn和brn为傅里叶展开式的系数；

步骤s5：将分解式代入到齿槽转矩中，得到齿槽转矩表达式其中，la为电枢轴向长度，r1为电枢外径，r2为定子轭内径；

步骤s6：根据永磁电机的机械特性可知，抵消n次谐波所需的转矩tc'为其中g为气隙长度，r为永磁体的位置，μr为r处的磁导率，fpm1和fgap1分别为永磁体和气隙磁场基波幅值，a为极弧系数,其中ia为三相电流的有效值；

步骤s7：给电机定子侧注入有效值为ia的三相电流，ia由tc＝tc'得到。

由此可知，本发明提出了一种新的电子齿槽转矩脉动抑制方法，运用傅里叶变换的方法分析了齿槽转矩的表达式，提出了一种动态磁补偿的概念，利用电机齿槽转矩各个阶次的谐波，通过注入不同频率的电流，以消除它们产生的齿槽转矩的脉动。同时，给出了电流注入的公式，从而提出一种可消除多次谐波的齿槽转矩脉动抑制方法。故本发明的方法减少了电机设计制造的成本和复杂度，可根据不同工况的需求，对电机的齿槽转矩进行削弱，增加了电机的利用率。

另外需要说明的是，上述本发明的永磁同步电机齿槽转矩脉动抑制方法可以作为软件程序或者计算机指令在非暂态计算机可读存储介质中执行或者在带有存储器和处理器的控制系统中执行，且其计算程序简单快速。在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其仍处于本发明权利要求范围之中。