[发明专利]一种低转矩脉动轮毂电机及气隙磁场谐波群设计方法

说明书

本发明公开一种引入磁场调制技术的低转矩脉动轮毂电机及气隙磁场谐波群设计方法，分析磁和电枢气隙磁密的空间和时间阶次，判别出磁场谐波能否对平均转矩、永磁转矩脉动具有贡献，利用气隙磁场谐波群分析永磁转矩脉动，考虑磁密谐波对平均转矩、永磁转矩脉动的贡献能力，根据磁密幅值进行磁场谐波群划分，将电机每一极处的转子内表面设成削极弧段，在永磁侧使每段削极弧段处的气隙为厚度非均匀气隙，维持合成转矩群的永磁气隙磁密谐波前提下，抑制合成脉动群的永磁气隙磁密谐波；在电枢侧设计星三角绕组，维持合成转矩群的电枢气隙磁密谐波前提下，抑制合成脉动群的电枢气隙磁密谐波，使电机具有高转矩密度低转矩脉动特性。

技术领域

本发明属于电机领域，具体是一种引入磁场调制技术的轮毂电机及气隙磁场谐波群的设计方法。

背景技术

轮毂电机技术又称之为车轮内装电机技术，它的最大优势是将动力、传动和制动集成在轮毂内部，使得电动车辆整体的结构得到大大简化。为减小电机尺寸和解决减速器带来的磨损、发热问题以及增大功率密度，提出了磁场调制型轮毂电机。不同于传统轮毂电机，磁场调制型轮毂电机因其独特的场调制效应，打破了转子极对数和电枢极对数一致的规则，具有低速大转矩的优点，使得其在电动车领域相较于传统电机具有明显优势。

对于引入磁场调制技术的轮毂电机中，场调制效应带来了丰富气隙谐波，使该类电机具有高转矩密度的优势，但同时也带来了众多产生转矩脉动的非工作谐波。非工作谐波在气隙中的分布直接决定了转矩中的转矩脉动，合理的气隙谐波分布，可以达到降低转矩脉动的目的。例如，中国专利申请号为202110702440.1的文献中公开了一种高机械鲁棒性磁场调制式辐向永磁电机及其多谐波优化设计方法，兼顾了电机的转矩和转矩脉动优化；但是，其多谐波优化具有以下缺点：需要运用灵敏度分析方法、响应面分析方法和多目标骨干粒子群算法，过程繁琐，方法复杂，且优化对象仅有影响较大的谐波，因此选取的对象不够丰富。再如，中国专利申请号202111485800.3的文献中公开了一种磁场调制永磁电机永磁-电枢双谐波协同优化设计方法，实现了对永磁-电枢磁场双谐波的协同优化设计，从而提升电机转矩密度和功率因数；但是存在以下缺点：优化目标选取方法复杂，需要通过敏感度分析、实验点分布计算和电枢磁场非工作谐波的独立性判断，减小电枢磁场谐波优化目标和设计参数的维度。

因此，对于磁场调制型永磁电机，丰富的磁场谐波在提升了转矩密度的同时也引发了较大转矩脉动，影响电机的性能和运行。因此，在设计时不仅需要考虑转矩密度，转矩脉动也是重点。众所周知，对于磁场调制永磁电机中，磁源、调制器和电枢绕组这三个关键要素的组合决定了气隙谐波变化，进一步影响了电机的性能表现。为了解决转矩脉动大这一问题，对气隙谐波分布深入分析以优化设计电机三要素成为解决问题的关键点。

发明内容

本发明的目的是针对现有磁场调制型轮毂电机在转矩脉动抑制和谐波设计方面的不足，提出了一种低转矩脉动轮毂电机及气隙磁场谐波群设计方法，获得优化的合成磁场，保证电机在高转矩密度的同时实现脉动的降低。

本发明提出的一种低转矩脉动轮毂电机采用的技术方案是：转子同轴套在定子外部，转子和定子之间设有气隙，定子上绕有相互串联构成星三角连接的第一绕组和第二绕组，转子上沿圆周方向均匀嵌入2P_r对永磁组，P_r为永磁极对数，每对永磁组由布置成V型结构的两块永磁体构成，所述的V型结构的中心线沿半径方向且V型开口朝内，每块永磁体的径向截面为矩形，内外斜向方向为矩形的长边方向，每块永磁体的充磁方向是垂直于自身的长边方向，一对永磁组的两块永磁体的充磁方向相同，相邻两对永磁组的充磁方向相反；对应于每对永磁组的转子内表面有一段削极弧段，共2P_r段削极弧段，每段削极弧段相对于V型结构的中心线对称布置，在每段削极弧段处的气隙为厚度非均匀气隙。