一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子

本发明属于同步磁阻电机，更具体地，涉及一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子。

背景技术：

1、近年来，能源危机已成为世界各国普遍关心的问题之一。据国家能源局发布的2022年1～6月全社会用电量数据显示，我国全社会用电量累计40977亿千瓦时，同比增长2.9％。这其中，我国工业用电占社会用电的70％左右。而工业生产主要用电设备为感应电机，约占工业用电的70％-80％。因此，发展高效电机对于推动节能减排、实现我国经济绿色发展有着重要的意义。

2、同步磁阻电机转子上无鼠笼结构，显著降低了转子的损耗，提高了电机的效率，相同功率等级下相较于感应电机损耗更低，效率和转矩密度更高，有望取代感应电机，成为新一代工业电机的主力。然而，同步磁阻电机普遍存在转矩脉动大、振动噪声较明显的问题，已成为当前同步磁阻电机研究的热点之一。

3、在先前的研究中，关于同步磁阻电机转矩脉动降低的主要手段包括：1.转子斜极，该方法已被普遍采用，但仍存在电机的输出转矩损失的问题，导致电机转矩密度降低；2.转子磁障几何参数的设计和优化，但由于同步磁阻电机的转子结构复杂，磁障设计难度较大，该方法普遍存在优化耗时较长的问题；3.合理选择槽极配合以及磁障层数，但该方法对于转矩脉动的抑制效果并不明显。因此，同步磁阻电机的转矩脉动问题，有待进一步研究。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，旨在提高转矩脉动的抑制效果和降低设计优化耗时。

2、为实现上述目的，本发明提出了一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，利用磁路等效模型，简单快速选择转子磁障尾角，采用转子冲片镜像组合的方式，降低主要次谐波的幅值，进而降低电机转矩脉动。所述转子的冲片开有多组孔槽，每组孔槽所在的区域形成磁极，所述孔槽为磁障，所述转子的冲片为不对称结构，不对称结构包括同一冲片形成的n1个第一叠片和n2个第二叠片，所述第一叠片的每个磁极的磁障关于磁极轴线不对称和磁极轴线的延长线相交于一点，第二叠片和第一叠片的单极下磁障形状关于q轴镜像对称，其特征在于，每个磁极下的磁障包括外侧磁障和内侧磁障，外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，其中，δθ1＝|θ′1-θ1|，δθ2＝|θ′2-θ2|。

3、以一台双层磁障同步磁阻电机为例，假设外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，忽略定子开槽，假设线性模型，则基于同步磁阻电机的等效磁路模型可得到转矩的表达式为：

4、

5、其中：

6、

7、

8、ε3＝aε1   (4)

9、

10、

11、

12、

13、

14、式中，d为转子外径，lstk为电机叠长，g为气隙长度，p为转子极对数，kν为ν次线电流密度幅值，tblb1和tblb2分别为外层和内层磁障等效的宽度和长度的比值，αi为电流相位角。

15、通过公式(1)发现转矩特性与磁障尾端角度有关，进一步可以得到各次谐波转矩的幅值和相位，选取合适的角度组合将使得电机与磁障形状对称的情形相比具有较低的转矩脉动，而平均转矩略微变化。

16、在上述设计方案的基础上将转子磁障尾角关于q轴作镜像对称变换，类似地可以得到转矩和各次谐波的波形，观察发现两种结构对应的主要谐波波形存在相位差，将两种转子以一定的叠长比例堆叠组合或在单个转子叠片上组合两种非对称的磁障，可使得该谐波幅值降低，电机转矩脉动进一步降低。

17、考虑定子开槽，通过仿真分析得到与上述类似的结论，即将非对称磁障转子叠片和其镜像对称结构组合可降低转矩主要次谐波幅值从而降低转矩脉动。n1和n2的比值等于通过等效磁路模型得到的第一叠片和第二叠片的主要次谐波幅值的比值的反比。

18、本发明还提供了一台三层磁障同步磁阻电机，假设外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，中间磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ3和θ3'，忽略定子开槽，假设线性模型，则基于同步磁阻电机的等效磁路模型可得到转矩的表达式为：

19、

20、其中：

21、

22、

23、

24、

25、

26、

27、

28、

29、

30、

31、

32、通过仿真分析得到与上述双层磁障同步磁阻电机类似的结论。

33、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，其基于理论模型指导选取磁障尾端角度，并通过镜像对称结构的组合降低特定次数的转矩谐波，能够提高转子结构设计与优化速度，并且具有更明显的转矩脉动抑制效果。

技术特征：

1.一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，所述转子的冲片开有多组孔槽，每组孔槽所在的区域形成磁极，所述孔槽为磁障，所述转子的冲片为不对称结构，不对称结构包括同一冲片形成的n1个第一叠片和n2个第二叠片，所述第一叠片的每个磁极的磁障关于磁极轴线不对称和磁极轴线的延长线相交于一点，第二叠片和第一叠片的单极下磁障形状关于q轴镜像对称，其特征在于，每个磁极下的磁障包括外侧磁障和内侧磁障，外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，其中，δθ1＝|θ1′-θ1|，δθ2＝|θ2′-θ2|。

2.根据权利要求1所述的降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，其特征在于，建立同步磁阻电机的等效磁路模型如下：

3.根据权利要求2所述的降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，其特征在于，n1和n2的比值等于通过等效磁路模型得到的第一叠片和第二叠片的主要次谐波幅值的比值的反比。

4.一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，所述转子的冲片开有多组孔槽，每组孔槽所在的区域形成磁极，所述孔槽为磁障，所述转子的冲片为不对称结构，不对称结构包括同一冲片形成的n1个第一叠片和n2个第二叠片，所述第一叠片的每个磁极的磁障关于磁极轴线不对称和磁极轴线的延长线相交于一点，第二叠片和第一叠片的单极下磁障形状关于q轴镜像对称，其特征在于，每个磁极下有外侧磁障、中间磁障和内侧磁障，外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，中间磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ3和θ3'，δθ1＝|θ′1-θ1|，δθ2＝|θ′2-θ2|，δθ3＝|θ′3-θ3|。

5.根据权利要求3所述的降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，其特征在于，建立同步磁阻电机的等效磁路模型如下：

6.根据权利要求5所述的降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，其特征在于，n1和n2的比值等于通过等效磁路模型得到的第一叠片和第二叠片的主要次谐波幅值的比值的反比。

技术总结
本发明公开了一种降低同步磁阻电机转矩脉动的转子，属于同步磁阻电机技术领域。转子由同一冲片形成的第一叠片和第二叠片组合而成，每极下有多层磁障，对于第一叠片，转子在q轴左侧的外层和内层磁障尾端相对于另一侧分别偏移Δθ<subgt;1</subgt;和Δθ<subgt;2</subgt;的角度；通过将第一叠片水平翻转180度，得到第二叠片，其单极下磁障形状与第一叠片相比关于q轴镜像对称，两种叠片相同次数的转矩谐波幅值与相位不同，以一定的比例叠加组合可使得同步磁阻电机具有较大平均转矩的同时降低转矩脉动。本发明可以实现特定次数转矩谐波的抑制，降低电机的转矩脉动。本发明对于提高同步磁阻电机的性能及其拓展应用具有重要意义。

技术研发人员：王亚玮,李宣,程宇航,曲荣海
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13