[發明專利]一種整數槽分布繞組虛擬極輪輻式永磁同步電機及其低脈動設計方法

有效

• 申請號: 201910337113.3
• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN110022043B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 陳前;徐高紅;趙文祥;劉國海;李錦洲
• 申請（專利權）人: 江蘇大學;江蘇微特利電機股份有限公司
• 主分類號: H02K21/14
• 分類號: H02K21/14;H02K21/02;H02K1/27
• 代理公司: 北京智行陽光知識產權代理事務所(普通合伙) 11738
• 代理人: 黃錦陽

本發明公開了一種整數槽分布繞組虛擬極輪輻式永磁同步電機及其低脈動設計方法，在輪輻式永磁同步電機的外沿增設虛擬極結構，通過對虛擬極的非對稱、偏移極設計可獲得低脈動虛擬極輪輻式永磁同步電機。其中，轉矩脈動的抑制方法可分為以下幾步：首先從轉矩脈動產生的原理出發，確定影響轉矩脈動的轉子磁動勢諧波階次；其次，根據轉子氣隙磁密和轉子磁動勢成正比的關系，確定影響轉矩脈動的轉子氣隙磁密的諧波階次；然后，通過對轉子氣隙磁密在不等虛擬磁極極弧系數時的傅里葉表達式的推導，進而獲得不等極弧系數角度差值與特定轉矩脈動主要諧波階次之間的公式；最后，通過不等極弧系數來消除2次轉矩脈動，使用磁極偏移來消除1次轉矩脈動。

技術領域

本發明涉及到輪輻式永磁同步電機的設計，特別是降低輪輻式永磁同步電機轉矩脈動的方法，屬于電機制造的技術領域。

背景技術

現如今永磁同步電機已經得到了廣泛的應用，從汽車到航空航天的眾多領域，永磁同步電機都扮演著十分重要的角色。這主要得益于永磁同步電機的幾個顯著特點，包括高轉矩密度、高效率以及重量體積小等。永磁同步電機采用了高磁能積的磁性材料取代了傳統的勵磁繞組，不僅消除了勵磁繞組帶來的負面影響，而且簡化了電機的機械結構，使電機運行可靠性提高，機械損耗也相應的減小。

永磁同步電機，尤其是釹鐵硼永磁勵磁的稀土永磁同步電機具有構造簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗少、效率高等顯著優點。作為一種戰略資源，近年來，隨著稀土資源的不斷開采和相關保護政策的推行，國際市場上稀土價格不斷上漲，這無疑對稀土永磁同步電機在工業、國防等領域的進一步廣泛應用造成了巨大的影響。為了減少稀土永磁同步電機中稀土永磁材料的用量，在學術領域越來越多的學者開始致力于少稀土永磁同步電機。因此，如何在降低稀土永磁材料用量的同時保證電機的高功率密度以及如何提高電機的轉矩性能成為電機研究的熱點。而切向充磁的輪輻式永磁同步電機，其轉子結構具有聚磁效應，有利于降低電機的成本。因此，近年來，研究輪輻式永磁同步電機成為熱點。輪輻式永磁同步電機可以大幅提高永磁體利用率，因此它們可以降低電機的材料成本。但是由于輪輻式永磁同步電機氣隙諧波豐富，會帶來很高的轉矩脈動，限制了其進一步應用。

目前，由于輪輻式永磁同步電機的轉子永磁體特殊結構，可用于減小輪輻式永磁同步電機轉矩脈動的技術非常有限，并且研究較少。對于輪輻式永磁同步電機轉矩脈動的抑制，國內外一般采用如下方法，如斜槽、優化繞組、多目標優化設計等方法。這些方法普遍的一個缺點，過程很復雜、耗時，且降低電機轉矩脈動的原理不清晰。

發明內容

針對現有輪輻電機高轉矩脈動的缺點和現有轉矩脈動抑制方法的高復雜度，本發明首先提出了一種帶有虛擬極的輪輻式永磁同步電機，由于采用虛擬極結構，使得周向使用不等極弧系數和磁極偏移成為了可能。以此為基礎，從轉矩脈動的形成機理出發，快速、便捷地獲取了虛擬極不對稱角和偏移角來同時抑制轉矩脈動中的1次和2次脈動。

為達到技術目的，本發明采用如下技術方案：

一種整數槽分布繞組虛擬極輪輻式永磁同步電機，該電機包括定子、嵌在定子槽中五相的單層整數槽分布繞組、以及具有虛擬磁極的輪輻式轉子；每相繞組的跨距為一個極距；在輪輻式轉子的外沿增設虛擬極，使得各轉子單元形成凸字型；在虛擬極的外沿設有導磁條；相鄰虛擬極設計成非對稱，此時相鄰虛擬極的極弧系數不相等；每一組相鄰的非對稱虛擬極視作一個重復單元，重復單元間隔偏移θ機械角度。

進一步，還包括內置在轉子上的極性相反設置的永磁體。

本發明的方法技術方案為：一種整數槽分布繞組虛擬極輪輻式永磁同步電機低脈動設計方法，其具體的步驟如下：

步驟1，對目標電機的極槽配比進行分析，根據轉子極數和定子槽數的關系，計算一個電周期內轉矩脈動的波動周期數，確定其總體波動趨勢；

步驟2，從轉矩脈動產生的原理出發，確定影響五相永磁同步電機轉矩脈動的轉子磁動勢諧波階次，然后根據轉子氣隙磁密和轉子磁動勢成正比的關系，確定影響轉矩脈動的轉子氣隙磁密的諧波階次；