气隙磁场正弦分布的高速隐极电励磁同步电机转子及其结构参数确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种隐极电励磁同步电机转子及其结构参数确定方法，特别是一种气 隙磁场正弦分布的高速隐极电励磁同步电机转子及其结构参数确定方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着电力电机技术、微电子技术、计算机技术和控制理论等学科的发展和 相互渗透，电励磁同步电机与永磁同步电机相比，因具有磁场可控等优点，已被应用在气体 压缩机、水累、高速鼓风机和高速宽调速电动汽车等驱动机械中。
[0003] 常用的电励磁同步电机转子有凸极式和隐极式两种结构，凸极式转子结构和制造 简单，可通过调整非均匀气隙使气隙磁场接近正弦分布，其主要缺点是机械强度较差，仅适 用于低速运行；隐极式转子通常为每极由一个大齿和若干个小齿构成，特别适用于电机高 速运行的场合。
[0004] 设计隐极式转子时常规先确定转子每极的槽距数Z2'（转子槽分度数），然后，再 确定磁极中屯、线两侧实际安放转子励磁绕组的槽数Z2,其余的狂2' -Z2)个槽跳空（即没有 开槽）形成一个大齿。通过合理选择比值丫= Z2/Z2'可使电机的气隙磁场分布接近正弦。 运种方法适用于大型电机，因为转子的槽距数Zz'大，丫的选择较灵活，便于实现转子磁场 的正弦度要求。对于中小型电机，由于机械强度和制造工艺的原因，能满足电机绕组对称性 条件的槽距数Zz'方案不多，导致T的选值范围很有限，难W实现气隙磁场正弦分布。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种气隙磁场正弦分布的高速 隐极电励磁同步电机转子及其结构参数确定方法，克服常规技术存在的缺点，既能提高电 机的最大安全运行转速，又能改善磁场波形、抑制磁场谐波分量，使它逼近正弦分布，降低 转矩脉动和振动噪声，减小损耗、提高电机效率。
[0006] 为了达到上述目的，本发明的构思是：转子每极的中屯、线处有一个大齿，两侧各有 n个对称分布的槽，通过调节槽数、齿距和各槽的导体数来实现气隙磁场波形的正弦分布， 减小磁场谐波分量，降低电机的转矩脉动，提高电机的电磁性能。
[0007] 根据上述发明构思，本发明的技术方案是一种气隙磁场正弦分布的高速隐极电励 磁同步电机转子，如图1所示（例图中n = 4)，其特征在于：
[0008] (1)每一极有化个齿，中间一个是大齿，其中屯、线即为极中屯、线；各小齿为等齿 距，磁极中性线处为小齿中屯、线。
[0009] (2)每极的大齿两侧各有n个槽，用于安放该极的励磁绕组。各槽内嵌入的导线 数按气隙磁场正弦分布的原则确定，各槽最大槽深，受机械强度、刚度和磁辆的磁密大小制 约，各槽尺寸由该槽的导线数和导线线径决定。
[0010] (3)每极的励磁绕组由n个应数不同、节距不同的同屯、式励磁线圈串联而成。
[0011] 上述转子结构参数确定方法，其特征在于确定步骤如下：
[0012] 记半齿距角（小齿中屯、线到相邻槽中屯、线之间的空间角度，单位为电弧度）为a， 取磁极中性线处为角度坐标的原点即0 =0,则磁极中屯、处0 =n/2,第i个槽中屯、处0 1 =(2i-l)a,i= 1, 2,. . .，n，如图2所示（例图中n= 4)。图中，当励磁电流确定时，理想 的正弦分布的气隙磁势需由理想的余弦分布的励磁电流线密度产生。
[0013] (a)根据技术要求和实际尺寸大小确定n值，磁势正弦度要求高的n需要取大值； 转子尺寸大的n可取大值。
[0014] 化）为使磁势分布接近正弦，则绕组线应必须接近余弦分布。假设槽内导线集中在 槽中屯、，当n确定后，半齿距角a的理论值可由式（1)解得：
(1)
[0016](C)根据电机电磁性能要求的每极励磁总安应数Ft(单位为A)，估算转子表面励 磁电流线密度幅值Am(单位为A/rad):
[0017] Am=Ft似
[001引 （d)根据励磁电流If(单位为A)，计算实际各槽导体数Ni为：
巧）
[0020] 式中方括号表示四舍五入取整。
[0021] (e)修正后的各段阶梯磁势F'1为：
、4
[0023] 讯修正后的半齿距角a'为：
(5)
[00巧](g)每极励磁绕组总应数Nt为： n
[0026] N,=心; !''=I (6)
[0027]化）修正后的每极励磁总安应F't为： 阳02引 F't=IfNt(7)
[0029] (i)根据最大槽深和各槽导体数确定各槽的尺寸。
[0030] 原理简述
[0031] 由电机学原理可知，若转子表面励磁电流线密度分布（励磁安应数沿圆周分布） 为余弦时，转子磁势沿圆周分布便为正弦。
[0032] 转子磁势沿圆周分布（单位为A):
(Al)
[0034]式中0为转子表面圆周的角度坐标，单位为（elec. )rad，磁极中性线处0 =0 ;A为转子表面励磁电流线密度分布，单位为A/rad。 !；〇〇对若；
[0036]A(白）=AmCOS0 〇\2)
[0037] 式中下标m表示幅值。则
[0038]F(白）=AmSine (A3)
[0039] 此时每极磁势总安应为：
(A4)
[0041] 考虑到转子结构的特点，将转子表面励磁电流线密度在一个齿距内的电流（单位 为A)集中安置于对应齿距中屯、的槽中，如图2所示。则前半极距的n个槽内的电流为：
(A5) 阳043] 在关大齿中屯、对称分布的化个槽中的励磁电流，形成关大齿中屯、对称的化+1段 非等高的磁势阶梯波，如图3所示（例图中n= 4)。则前半极距的n+1阶梯的磁势为（注 意：第一段的编号为0):
(A6)
[0045] 为了用该磁势阶梯波代替正弦波，令阶梯波与正弦波的计算极弧系数相等：
[0047]半齿距角a可由W下方程解得：
(A8)
[0049] W计算极弧系数相等的方法确定半齿距角a的理论值，进而由式（A5)可确定各 槽电流的理论值，W改进气隙磁势波形，使其逼近正弦分布，减小谐波分量。由于各槽导体 数必须为整数，若励磁电流为If,则实际各槽导体数为：
(A9、
[0051] 式中方括号表示四舍五入取整。
[0052] 修正后的各槽电流为：
[0053] 1'I=N山，i= 1,2，...n(AlO)
[0054] 修正后的各段阶梯磁势为：
《A,l_〇
[0056] 修正后的半齿距角a'可由W下方程解得：
(A12)
[0058]为：
IA13)
[0060] 每极励磁绕组总应数为： 巧：
[0061] % =Z'、 口 1 (A14)
[0062] 修正后的每极励磁总安应为：
[0063] F't=IfNt (Al5)
[0064] 根据最大槽深、各槽导体数和线径确定各槽的尺寸，即各槽的深度和宽度可W不 同。
[0065] 本发明与常规技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
[0066] (1)从电磁性能角度分析，该方法的优点是转子齿距角可W根据需要变化，特别适 用于高速运行的中小型电机。它克服了常规电机转子槽距数Zz'(转子槽分度数）确定后， 小齿的槽距角不能改变，难W实现与正弦波极弧系数相等的缺点。另外，转子励磁绕组的各 槽导体数近似余弦分布，可W进一步改善磁场波形，能有效抑制谐波分量，降低转矩脉动和 振动噪声，减小铁屯、损耗，提高电机效率。
[0067] 似从力学角度分析，与凸极同步电机转子相比，多槽加槽模的隐极结构，增加了 机械强度和刚度，减小了转子外圆处的形变，使转子安全运行的最高转速显著增加。
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