CN108718145B - 一种削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，电机转轴穿过转子并和转子固定在一起，转子位于圆环型的定子内侧，定子包括定子铁芯和电机绕组，电机绕组缠绕于定子铁芯的定子槽上，转子包括有偶数对的永磁体磁极，永磁体磁极内设有两块永磁体，两块永磁体呈“V”形，两块永磁体“V”形截面径向方向的极性相同，相邻永磁体磁极内的永磁体极性相反；每个永磁体磁极位于转子外周壁为半径小于定子铁芯圆环内壁半径的圆弧，每个永磁体磁极所对应的圆弧偏心，其中相邻永磁体磁极的圆弧偏心距不同，相隔永磁体磁极的圆弧偏心距相同。这样的转子结构可以削弱齿槽转矩。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，涉及一种通过N极、S极采用不同偏心距的转子结构削弱内置式永磁同步电动机齿槽转矩的永磁同步电动机。
背景技术
永磁电机齿槽转矩和很多因素有关，例如：永磁磁极参数，电枢参数等。通过改变磁极的极弧系数、采用不等厚磁极、磁极便宜、斜极、磁极分段、改变槽口宽度、改变齿的形状、斜槽、开辅助槽、选择合理的槽数等都可以使电机的齿槽转矩得到削弱。
内置式永磁电机，相比于表贴式转子结构，经济成本比较低，加工工艺也更简单，但缺点就是极弧更难优化，齿槽转矩相对较大。因此，针对内置式永磁同步电动机，优化转子冲片形状来降低齿槽转矩，进而提高内置式永磁电机的动态性能成为其主要优化方式。
发明内容
发明目的
本发明的目的是提供一种内置式永磁电机，采用特殊的转子结构，削弱内置式永磁电机的齿槽转矩，提高永磁电机的性能。
技术方案
一种削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，包括定子、定子外的机壳、机壳两端的端盖、电机转轴和转子，电机转轴穿过转子并和转子固定在一起，转子位于圆环型的定子内侧，定子包括定子铁芯和电机绕组，其特征在于：定子铁芯开有定子槽，电机绕组缠绕于定子铁芯的定子槽上，转子包括有偶数对的永磁体磁极，相邻的两个永磁体磁极为一对；永磁体磁极内设有两块永磁体，两块永磁体呈“V”形，两块永磁体“V”形截面径向方向的极性相同，相邻永磁体磁极内的永磁体极性相反；每个永磁体磁极位于转子外周壁为半径小于定子铁芯圆环内壁半径的圆弧，每个永磁体磁极所对应的圆弧偏心，其中相邻永磁体磁极的圆弧偏心距不同，相隔永磁体磁极的圆弧偏心距相同。
所述永磁体的两端设有隔磁桥。
永磁体磁极的圆弧偏心距选取最大气隙与最小气隙长度比为2.8-3.8的偏心距。
极弧系数为永磁体磁极的圆弧所占整圆角度与360°/（2*P）的比值，转子外圆由2*P对段圆弧组成，P为永磁体磁极的极对数，所有永磁体磁极的极弧系数相同。
所述极弧系数为0.65-0.85。
相邻永磁体磁极偏心距的比值在1：（1~1.1）选取或（1~1.1）：1选取。
所述隔磁桥内为空气或所述隔磁桥内充满并粘接连接有陶瓷材料。
优点及效果
通过采用一种特殊的内置式永磁电机转子结构，即达到抑制齿槽转矩的目的，同时对负载转矩几乎没有影响。齿槽转矩大会降低采用永磁同步电机的设备的工作精度，尤其电机在低速运行时，齿槽转矩对运行精度的影响较为显著，并且还会带来振动噪声。我们的电机可削弱永磁同步电机的齿槽转矩，进而提高了设备的工作精度；缩短了响应时间，进而改善了动态性能。并且抑制了振动噪声。
附图说明
图1为本发明实施例中的电机剖视图；
图2为图1电机转子的1/4局部包含一对的永磁体磁极的放大图；
图3为极弧系数对气隙磁密波形畸变率的影响；
图4为偏心距对气隙磁密波形畸变率的影响；
图5为采用不等偏心距组合时的齿槽转矩削弱效果图。
附图标记说明：
1.定子铁芯、2.电机绕组、3.永磁体、4.转子、5.电机转轴、6.隔磁桥、7.S极偏心距、8.N极偏心距。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
实施例1：
如图1和图2所示，削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，图1的虚线交点为圆弧的圆心。包括定子、定子外的机壳、机壳两端的端盖、电机转轴5和转子4，电机转轴5穿过转子4并和转子4固定在一起，转子4位于圆环型的定子内侧，定子包括定子铁芯1和电机绕组2，定子铁芯1开有定子槽，电机绕组2缠绕于定子铁芯1的定子槽上，转子4包括有偶数对的永磁体磁极，相邻的两个永磁体磁极为一对；永磁体磁极内设有两块永磁体3，永磁体3的两端设有隔磁桥6，隔磁桥6内为空气。两块永磁体3呈“V”形，两块永磁体3“V”形截面径向方向的极性相同，相邻永磁体磁极内的永磁体3极性相反；每个永磁体磁极位于转子4外周壁为半径小于定子铁芯1圆环内壁半径的圆弧，每个永磁体磁极所对应的圆弧偏心，其中相邻永磁体磁极的圆弧偏心距不同，相隔永磁体磁极的圆弧偏心距相同。所述偏心是永磁体磁极的圆弧的圆心和电机转轴5圆心不重合，电机转轴5与定子的圆心相同。永磁体磁极的圆弧偏心距选取最大气隙与最小气隙长度比为2.8的偏心距，最大气隙为转子外表面与定子内表面的最大距离，最小气隙为转子外圆弧与定子内圆的最小距离。极弧系数为永磁体磁极的圆弧所占整圆角度与360°/2*P的比值，转子外圆由2*P对段圆弧组成，P为永磁体磁极的极对数，所有永磁体磁极的极弧系数相同。极弧系数为0.65。相邻永磁体磁极偏心距的比值在1：1.1选取，这样的转子结构可以削弱齿槽转矩。
该永磁同步电动机降低了齿槽转矩，进而提高内置式永磁电机的动态性能。
实施例2：
削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，包括定子、定子外的机壳、机壳两端的端盖、电机转轴5和转子4，电机转轴5穿过转子4并和转子4固定在一起，转子4位于圆环型的定子内侧，定子包括定子铁芯1和电机绕组2，定子铁芯1开有定子槽，电机绕组2缠绕于定子铁芯1的定子槽上，转子4包括有偶数对的永磁体磁极，相邻的两个永磁体磁极为一对；永磁体磁极内设有两块永磁体3，永磁体3的两端设有隔磁桥6，隔磁桥6内为空气。两块永磁体3呈“V”形，两块永磁体3“V”形截面径向方向的极性相同，相邻永磁体磁极内的永磁体3极性相反；每个永磁体磁极位于转子4外周壁为半径小于定子铁芯1圆环内壁半径的圆弧，每个永磁体磁极所对应的圆弧偏心，其中相邻永磁体磁极的圆弧偏心距不同，相隔永磁体磁极的圆弧偏心距相同。所述偏心是永磁体磁极的圆弧的圆心和电机转轴5圆心不重合，电机转轴5与定子的圆心相同。永磁体磁极的圆弧偏心距选取最大气隙与最小气隙长度比为2.8的偏心距，最大气隙为转子外表面与定子内表面的最大距离，最小气隙为转子外圆弧与定子内圆的最小距离。极弧系数为永磁体磁极的圆弧所占整圆角度与360°/2*P的比值，转子外圆由2*P对段圆弧组成，P为永磁体磁极的极对数，所有永磁体磁极的极弧系数相同。极弧系数为0.65。相邻永磁体磁极偏心距的比值在1.1：1选取，这样的转子结构可以削弱齿槽转矩。
该永磁同步电动机降低了齿槽转矩，进而提高内置式永磁电机的动态性能。
实施例3：
削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，包括定子、定子外的机壳、机壳两端的端盖、电机转轴5和转子4，电机转轴5穿过转子4并和转子4固定在一起，转子4位于圆环型的定子内侧，定子包括定子铁芯1和电机绕组2，定子铁芯1开有定子槽，电机绕组2缠绕于定子铁芯1的定子槽上，转子4包括有偶数对的永磁体磁极，相邻的两个永磁体磁极为一对；永磁体磁极内设有两块永磁体3，永磁体3的两端设有隔磁桥6，隔磁桥6内充满并粘接连接有陶瓷材料。两块永磁体3呈“V”形，两块永磁体3“V”形截面径向方向的极性相同，相邻永磁体磁极内的永磁体3极性相反；每个永磁体磁极位于转子4外周壁为半径小于定子铁芯1圆环内壁半径的圆弧，每个永磁体磁极所对应的圆弧偏心，其中相邻永磁体磁极的圆弧偏心距不同，相隔永磁体磁极的圆弧偏心距相同。所述偏心是永磁体磁极的圆弧的圆心和电机转轴5圆心不重合，电机转轴5与定子的圆心相同。永磁体磁极的圆弧偏心距选取最大气隙与最小气隙长度比为2.8的偏心距，最大气隙为转子外表面与定子内表面的最大距离，最小气隙为转子外圆弧与定子内圆的最小距离。极弧系数为永磁体磁极的圆弧所占整圆角度与360°/2*P的比值，转子外圆由2*P对段圆弧组成，P为永磁体磁极的极对数，所有永磁体磁极的极弧系数相同。极弧系数为0.65。相邻永磁体磁极偏心距的比值在1.1：1选取，这样的转子结构可以削弱齿槽转矩。
该永磁同步电动机降低了齿槽转矩，进而提高内置式永磁电机的动态性能。
实施例4：
削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，包括定子、定子外的机壳、机壳两端的端盖、电机转轴5和转子4，电机转轴5穿过转子4并和转子4固定在一起，转子4位于圆环型的定子内侧，定子包括定子铁芯1和电机绕组2，定子铁芯1开有定子槽，电机绕组2缠绕于定子铁芯1的定子槽上，转子4包括有偶数对的永磁体磁极，相邻的两个永磁体磁极为一对；永磁体磁极内设有两块永磁体3，永磁体3的两端设有隔磁桥6，隔磁桥6内充满并粘接连接有陶瓷材料。两块永磁体3呈“V”形，两块永磁体3“V”形截面径向方向的极性相同，相邻永磁体磁极内的永磁体3极性相反；每个永磁体磁极位于转子4外周壁为半径小于定子铁芯1圆环内壁半径的圆弧，每个永磁体磁极所对应的圆弧偏心，其中相邻永磁体磁极的圆弧偏心距不同，相隔永磁体磁极的圆弧偏心距相同。所述偏心是永磁体磁极的圆弧的圆心和电机转轴5圆心不重合，电机转轴5与定子的圆心相同。永磁体磁极的圆弧偏心距选取最大气隙与最小气隙长度比为3.8的偏心距，最大气隙为转子外表面与定子内表面的最大距离，最小气隙为转子外圆弧与定子内圆的最小距离。极弧系数为永磁体磁极的圆弧所占整圆角度与360°/2*P的比值，转子外圆由2*P对段圆弧组成，P为永磁体磁极的极对数，所有永磁体磁极的极弧系数相同。极弧系数为0.85。相邻永磁体磁极偏心距的比值在1：1选取，这样的转子结构可以削弱齿槽转矩。
该永磁同步电动机降低了齿槽转矩，进而提高内置式永磁电机的动态性能。
通过合理设计内置式永磁电机齿槽转矩的转子表面结构，即达到抑制齿槽转矩的目的，同时对额定转矩几乎没有影响。齿槽转矩会降低永磁同步电主轴的工作精度，尤其电机在低速运行时，齿槽转矩对运行精度的影响较为显著，并且还会带来振动噪声。因此，削弱齿槽转矩是电机设计的一项重要考虑因素。
目前，可以通过两种方法实现削弱永磁同步电机的齿槽转矩: 一是改变电机自身结构。二是采用不同的控制策略。本专利采用第一种方法，达到削弱齿槽转矩的目的。首先在极弧系数不同的情况下，气隙磁密的谐波含量随着极弧系数的增加而减少，然后再增加。存在最佳设计参数。如图3所示。本例中，气隙磁密谐波含量最小点出现在极弧系数为0.72左右。
在得到最佳极弧系数之后，进行均匀偏心，对参数k（最大气隙与最小气隙长度比）进行分析。气隙磁密谐波含量随着k的增大同样呈现了先减小后增大的趋势。k也存在最佳设计参数。如图4所示。本例的最佳设计参数为k=3左右。
在得到图3、图4之后，进行不均匀然后调整S（N）极偏心距与N（S）极偏心距的比值，并且在（1，1.1）之间选择，这样的转子结构可以削弱齿槽转矩。得在未优化、均匀偏心和不等偏心情况下的齿槽转矩波形。如图5可见，在采用了不等偏心距以后，齿槽转矩大幅度减小，为未优化时的10%左右。
本发明是通过N极和S极外圆的不等偏心距，改变电机的气隙磁密，使其谐波组成发生变化，最终减小电动机的齿槽转矩。
本发明采用不等偏心距组合的方法，在对电机其他特性影响不大的情况下，改变气隙磁密波形，减小齿槽转矩，工艺简单，针对性强，易于实现，对于提高电机的控制精度有很大的研究意义。
专利应用前景：
应用本专利可以在不改变永磁体在转子冲片中的位置，不改变极弧系数，不改变最小气隙的前提下，通过微调偏心距就可以大幅度减小气隙磁密波形的谐波成分，进而大幅度减小齿槽转矩。
Claims (8)
1.一种削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，包括定子、定子外的机壳、机壳两端的端盖、电机转轴和转子，电机转轴穿过转子并和转子固定在一起，转子位于圆环型的定子内侧，定子包括定子铁芯和电机绕组，其特征在于：定子铁芯开有定子槽，电机绕组缠绕于定子铁芯的定子槽上，转子包括有偶数对的永磁体磁极，相邻的两个永磁体磁极为一对；永磁体磁极内设有两块永磁体，两块永磁体呈“V”形，两块永磁体“V”形截面径向方向的极性相同，相邻永磁体磁极内的永磁体极性相反；每个永磁体磁极位于转子外周壁为半径小于定子铁芯圆环内壁半径的圆弧，每个永磁体磁极所对应的圆弧偏心，其中相邻永磁体磁极的圆弧偏心距不同，相隔永磁体磁极的圆弧偏心距相同，极弧系数为0.72，最大气隙与最小气隙长度比为k=3，在采用了不等偏心距以后，齿槽转矩大幅度减小，为未优化时的10%。
2.根据权利要求1所述的削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，其特征在于：所述永磁体的两端设有隔磁桥。
3.根据权利要求1所述的削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，其特征在于：永磁体磁极的圆弧偏心距选取最大气隙与最小气隙长度比为2.8-3.8的偏心距。
4.根据权利要求1所述的削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，其特征在于：极弧系数为永磁体磁极的圆弧所占整圆角度与360°/（2*P）的比值，转子外圆由2*P对段圆弧组成，P为永磁体磁极的极对数，所有永磁体磁极的极弧系数相同。
5.根据权利要求4所述的削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，其特征在于：所述极弧系数为0.65-0.85。
6.根据权利要求1所述的削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，其特征在于：相邻永磁体磁极偏心距的比值在1：（1~1.1）选取或（1~1.1）：1选取。
7.根据权利要求2所述的削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，其特征在于：所述隔磁桥内为空气。
8.根据权利要求2所述的削弱内置式永磁电机齿槽转矩的永磁同步电动机，其特征在于：所述隔磁桥内充满并粘接连接有陶瓷材料。
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