[发明专利]一种基于谐波注入的低转矩脉动永磁无刷电机设计方法

说明书

本发明公开了一种基于谐波注入的低转矩脉动永磁无刷电机设计方法，(1)分析永磁无刷电机的永磁体磁动势组成，通过输出转矩和转矩脉动的产生机理验证永磁体磁动势谐波的初始相位角和转矩性能有关(2)根据永磁体磁动势相位角对转矩性能的影响，提出了考虑谐波注入相位角的永磁体磁动势公式，并根据不同相位角对转子形状的影响原理完成谐波注入后永磁无刷电机的转子建模(3)根据不同次谐波对转矩和转矩脉动的敏感度分析，选取注入谐波次数(4)通过参数化扫描对其不同次谐波初始相位角进行优化，确定各注入谐波的最佳初始相位角，实现输出转矩基本不变的情况下转矩脉动最优，完成低转矩脉动永磁无刷电机设计。

技术领域

本发明涉及一种基于谐波注入的低转矩脉动永磁无刷电机设计方法，属于电机技术领域。

背景技术

由于高效率和高功率密度等优点，永磁无刷电机得到了广泛的应用，在汽车、航空等领域扮演着重要的角色。但在电动汽车驱动系统等高性能场合，对永磁无刷电机转矩脉动提出了更高的要求。转矩脉动过高会使运行过程中会产生较大的振动和噪声，影响电机运行的稳定性。因此在降低转矩脉动的同时保证输出转矩不变，一直是电机研究领域中一个热点且具有挑战性的问题。

目前许多方法通过改变定子或转子参数来获得低转矩脉动，例如转子偏移，开辅助槽或辅助齿，改变永磁体形状和磁障等。文献“Material-Efficient Permanent-MagnetShape for Torque Pulsation Minimization in SPM Motors for AutomotiveApplications”中(公开发表于2014年IEEE Transactions on Industrial Electronics61卷，10期，5779-5787页)通过将不同正弦形状的永磁体分段径向排列，使得永磁体用量减少的同时转矩脉动得到降低。但是该方法由于每段永磁体不规则，导致优化和加工过程比较耗时。文献“Torque Enhancement of Surface-Mounted Permanent Magnet MachineUsing Third-Order Harmonic”中(公开发表于2014年IEEE Transactions on Magnetics50卷，3期，104-113页)通过分析气隙磁密，将具有最优幅值的三次正弦谐波注入永磁体以提高转矩性能，使得转矩脉动基本不变的情况下输出转矩得到了较大的提高。然而值得注意的是磁动势是由不同次谐波累加而成，谐波又包含幅值、频率和相位角三要素，目前的研究主要集中在注入谐波的幅值和次数，忽略了注入谐波的相位角对转矩性能的影响。相位角对磁动势有很大的影响，相位角的不同会导致相应注入谐波波形发生偏移，根据谐波注入时不同初始相位角对转子形状变化的原理，转子沿气隙部分形状改变会影响气隙磁密，从而可以通过相位角优化达到降低转矩脉动的效果。因此本发明综合考虑注入谐波的幅值和初始相位角，提出一种基于谐波注入的低转矩脉动永磁无刷电机设计方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于谐波注入的低转矩脉动永磁无刷电机设计方法，该方法能够在保证输出转矩基本不变的情况下，综合考虑谐波注入中谐波幅值和相位角对转子形状影响原理，实现转矩脉动有效的抑制。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于谐波注入的低转矩脉动永磁无刷电机设计方法，包括以下步骤：

步骤1、分析实施例中表嵌式永磁无刷电机的永磁磁动势组成，通过分析永磁体磁动势谐波的相位角与输出转矩和转矩脉动的关系，证明相位角与转矩性能密切相关，并通过傅里叶分解得到磁动势主要次谐波的幅值和初始相位角。

步骤2、根据永磁体磁动势相位角对转矩性能的影响，提出了考虑谐波注入相位角的永磁体磁动势公式，并以此重新完成表嵌式永磁无刷电机的转子建模。结合谐波注入方法对转子形状改变的原理，取永磁体磁动势的(ipr±jNs)次谐波为例，验证该次谐波初始相位角变化对转子形状的影响，进而通过磁动势仿真和计算验证公式的合理性。