[發明專利]一種永磁同步直驅電機的磁極結構及其設計方法

有效

• 申請號: 201210027754.7
• 申請日: 2012-02-08
• 公開（公告）號: CN102545436A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 許海平;方程
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H02K1/27
• 分類號: H02K1/27
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種永磁同步直驅電機的磁極及其設計方法。

背景技術

現有的永磁同步電動機表貼式磁極往往采用等厚的瓦片型磁極結構，主磁極沿電樞表面形成的空載氣隙磁密波形接近平頂波，氣隙磁密中包括許多諧波成分，特別是3、5、7次諧波，將導致產生諧波轉矩。另外由于電機定子開槽就要引入的齒槽轉矩是不可避免的，所以目前永磁直驅電機普遍存在一定的齒槽和諧波轉矩。較大的轉矩脈動會增加系統的控制難度和穩定性，在低速時更加明顯。傳統方式是采用定子斜槽或轉子斜極來消除齒槽轉矩，但是定子斜槽會使得槽面積減小，下線存在困難，同時電機要增加長度或匝數來彌補由于斜槽造成的反電勢下降。而轉子斜極則存在更大的加工難度，廢品率和成本過高，多數的時候往往采用軸向分段永磁體，使每段磁體沿圓周方向錯開一定的機械角度來近似斜極的效果，但是這種結構更適合較長的轉子。專利200810066916.1及200920035744.1分別公開了一種伺服電機及其轉子結構和一種多段錯位磁瓦轉子結構，兩者均采用上述的轉子磁極結構來削弱齒槽轉矩。但是對于低速直驅電機由于定、轉子很短，定轉子稍微有些斜度，對其電磁參數影響較大，嚴重時會使電機的輸出能力降低。

圖1a是現有技術的永磁同步電機磁極結構示意圖。如圖1a所示，傳統永磁同步電動機表面磁極往往采用等厚瓦片型磁極結構。這種主磁極沿電樞表面形成的空載氣隙磁密波形接近平頂波，氣隙磁密包括許多諧波成分，特別是3、5、7次諧波，將導致產生諧波轉矩，影響控制精度。

因此，如何既能降低永磁直驅電機的轉矩脈動，又可以保證電機的結構和加工工藝簡單，成為本領域的技術人員迫切需要解決的問題。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術永磁同步直驅電機轉矩脈動較大的缺點，提供一種永磁同步直驅電機的磁極結構，本發明磁極結構使得電機的氣隙磁密波形接近正弦波，電機轉矩脈動較小。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

所述的永磁同步直驅電機采用內轉子，外定子結構，定子和轉子之間具有一個氣隙。

所述的轉子磁極采用不等厚磁極，磁極的外表面由斜率不同的多個斜面構成，磁極的內表面半徑和轉子磁軛的半徑相同，磁極的兩個側面相平行，并且采用平行充磁方式。

所述的轉子磁極以N極和S極交替的形式環繞永磁同步直驅電機的轉子表面均勻布置。

所述的轉子磁極采用釹鐵硼材料制作。

所述的轉子采用一體式的空心軸結構或實心軸結構，采用具有導磁特性的45號碳素鋼制作。

所述的定子包括鐵心和繞組，定子為無取向硅鋼片材料。

本發明磁極的設計方法采用電磁場反問題的設計思想，以等厚磁極為基礎，首先以等厚磁極中心為對稱軸線，逐漸將等厚磁極兩端的厚度減小，得到不等厚磁極的初始方案，利用電磁場軟件仿真得到氣隙磁密波形，分析其基波和諧波成分，再根據設計要求，調整磁極的局部尺寸，經多次反復迭代，直到優化設計目標為止。

本發明可以廣泛應用于低速永磁直驅電機中，可以有效的改善氣隙磁密波形，減小諧波轉矩，降低永磁同步直驅電機震動和噪音，使電機運行平穩，工作壽命長。

附圖說明

圖1a是現有技術的永磁同步電機磁極結構示意圖；

圖1b是本發明不等厚磁極結構示意圖；

圖1c是本發明不等厚磁極的充磁方向示意圖；

圖2是不等厚磁極設計方法示意圖；

圖3是5.5kW永磁同步直驅電機的兩種結構示意圖，其中圖3a為等厚磁極結構，圖3b為不等厚磁極結構；

圖4是永磁同步直驅電機空載氣隙磁密波形，其中圖4a為等厚磁極結構空載氣隙磁密波形，圖4b為不等厚磁極結構空載氣隙磁密波形；

圖5是永磁同步直驅電機空載氣隙磁密諧波含量，其中圖5a為等厚磁極結構空載氣隙磁密諧波含量，圖5b為不等厚磁極結構空載氣隙磁密諧波含量；

圖中，1為定子鐵心，2為定子槽，3為轉子軛，4為轉子軸，5為等厚磁極，6為不等厚磁極。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發明。

本發明的磁極結構如圖1b所示，磁極的外表面由斜率不同的多個斜面構成，磁極的內表面半徑和轉子磁軛的半徑相同，磁極兩個側面相平行，并且采用平行充磁方式，如圖1c所示。因為通常情況下無需設計出完全正弦的磁密波形，只需按照諧波含量的要求設計近似的正弦波形。在這種情況下，不等厚磁極的設計按照以下方法進行。