[发明专利]一种低脉动反余弦加三次谐波辅助凸极式辐向永磁电机及气隙谐波优化的方法

说明书

本发明公开了一种低脉动反余弦加三次谐波辅助凸极式辐向永磁电机及气隙谐波优化的方法，属于电机制造的技术领域。提出了带有反余弦加三次谐波辅助凸极的新型辐向永磁同步电机，采用此方法能抑制气隙磁密谐波降低转矩脉动，减少平均转矩损失。具体过程如下：转子气隙磁密和转子磁动势成正比，确定影响转矩脉动的主要气隙磁密谐波阶次。对辅助凸极采用反余弦加三次谐波方法修型，够降低气隙磁密的谐波，特别是引起一、二阶转矩脉动的9次、11次和19次、21次谐波，从而降低转矩脉动；由于3次谐波不是引起转矩脉动的主要气隙磁密谐波，注入3次谐波能减少平均转矩损失。

技术领域

本发明涉及到辐向永磁同步电机的设计，特别是降低辐向永磁同步电机转矩脉动的方法，属于电机制造的技术领域。

背景技术

现如今永磁同步电机已经得到了广泛的应用，从汽车到航空航天的众多领域，永磁同步电机都扮演着十分重要的角色。这主要得益于永磁同步电机的几个显著特点，包括高转矩密度、高效率以及重量体积小等。永磁同步电机采用了高磁能积的磁性材料取代了传统的励磁绕组，不仅消除了励磁绕组带来的负面影响，而且简化了电机的机械结构，使电机运行可靠性提高，机械损耗也相应的减小。

永磁同步电机，尤其是钕铁硼永磁励磁的稀土永磁同步电机具有构造简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高等显著优点。作为一种战略资源，近年来，随着稀土资源的不断开采和相关保护政策的推行，国际市场上稀土价格不断上涨，这无疑对稀土永磁同步电机在工业、国防等领域的进一步广泛应用造成了巨大的影响。为了减少稀土永磁同步电机中稀土永磁材料的用量，在学术领域越来越多的学者开始致力于少稀土永磁同步电机，因此，如何在降低稀土永磁材料用量的同时保证电机的高功率密度以及如何提高电机的转矩性能成为电机研究的热点。而切向充磁的辐向永磁同步电机，其转子结构具有聚磁效应，有利于提高电机的转矩密度。因此，近年来，研究辐向永磁同步电机成为热点。辐向永磁同步电机可以大幅提高永磁体利用率，因此它们可以降低电机的材料成本。但是辐向永磁同步电机由于特殊的转子永磁体结构，会带来很高的转矩脉动。虽然辐向永磁同步电机拥有一系列的优点，但对于要求苛刻的高性能应用，如电动转向系统、伺服电机、风力发电机、电动汽车驱动系统等应用仍然面临许多困难。这些应用对电机的工作稳定性方面提出了很高的要求，即电机的输出转矩脉动要尽可能小，从而实现平稳精确的推力传动，因此研究削减输出转矩脉动是非常具有价值的。综上所述，研究削弱辐向永磁同步电机输出转矩脉动是非常具有价值的。

目前，由于轮辐式永磁同步电机的转子永磁体特殊结构，可用于减小轮辐式永磁同步电机转矩脉动的技术非常有限，并且研究较少，其对于轮辐式永磁同步电机转矩脉动的抑制的研究主要分为两方面。一方面，可以基于控制优化，通过抑制谐波电流，减小稳态误差和转矩脉动；另一方面，可以基于电机设计进行优化。首先是对于定子的优化。在电机设计时，槽极组合是最先被确定的，它与脉动的周期有关。最佳的绕组方式选择能带来更接近正弦的反电势。定子齿的优化也可以减小转矩脉动。目前，由于轮辐式永磁同步电机的转子永磁体特殊结构，可用于减小轮辐式永磁同步电机转矩脉动的技术非常有限，并且研究较少。对轮辐式电机轴向分段偏移的方法降低齿槽转矩和电磁转矩脉动,然而,电机的设计需要建立3d模型耗费大量时间并且制造更为复杂。在周向上，提出三段弧的方法-将轮辐式电机的方法能够抑制气隙磁密谐波从而抑制转矩脉动；此外还可以应用多目标优化设计的方法，但是需要优化的参数一般较多。以上的方法普遍都较为复杂，并且有的方法会增加制造难度大，将会耗费大量的时间。

发明内容

本发明的目的是，提出了一种低脉动反余弦加三次谐波型辅助凸极式轮辐式永磁电机的转矩脉动优化方法。在新型辅助凸极轮辐式永磁同步电机的基础上，准确分析永磁同步电机转矩脉动的来源成分，然后根据正弦气隙磁密推导出反余弦加三次谐波辅助凸极修型公式，以消除引起一、二阶转矩脉动的9次、11次和19次、21次谐波，从而降低转矩脉动，并且三次谐波不是引起转矩脉动的主要谐波，增加三次谐波能够提高平均转矩。