CN103683783A - 一种转子分段式磁通切换电机及其转子偏移角确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种转子分段式磁通切换电机及其转子偏移角确定方法。所述分段电机的定子由同一个绕组线圈缠绕成电枢绕组，定子相同位置励磁源的励磁方向相反；转子结构相同，但不同转子突齿间设置转子偏移角；所述转子偏移角的确定方法为：根据第一段电机的结构参数得到总的分段电机的磁链幅值、二次谐波幅值和定位力矩的峰峰值随转子偏移角的关系，进而确定所需转子偏移角。本发明方法减小了转矩脉动，提高了磁链正弦度，不影响磁链幅值和转矩的输出能力；且适用于多种结构磁通切换电机，任意励磁方式，任意定子极数和转子极数，都可使得电机的磁链正弦度高，磁链幅值大，定位力矩小，转矩密度高。

Description

一种转子分段式磁通切换电机及其转子偏移角确定方法

技术领域

本发明属于电机制造技术领域，尤其是涉及一种转子分段式磁通切换电机及其转子偏移角确定方法。

背景技术

在电机领域中，永磁电机凭借其转矩密度高、转矩脉动小的优点得到广泛应用，但是传统表贴式永磁电机的永磁***于转子上，为克服高速运转时的离心力，需对永磁体采取特别辅助措施，结构复杂，制造成本提高。永磁体散热困难，易造成永磁体不可逆退磁，限制电机出力，减小功率密度。

永磁磁通切换电机是近年出现的一种定子永磁式电机，吸引了国内外学者的关注，与传统永磁同步电机和开关磁阻电机相比，具有以下优点。1、永磁***于定子上，冷却方便，无离心力影响；2、转子结构简单坚固，适于高速运行；3、永磁磁场和电枢磁场为串联结构，永磁体受电枢磁场影响小，弱磁能力优于转子永磁式电机；4、电机采用集中绕组，结构简单，端部铜损小，电机效率高；

在一些低成本、需要励磁可调的场合，将永磁磁通切换电机中的永磁体换成励磁线圈和硅钢片，即可形成对应的电励磁磁通切换电机。

磁通切换电机存在转矩脉动较大的缺点，不适用于低速运行。一方面由于定转子皆采用凸极结构，电机定位力矩大，转矩脉动大。另一方面一部分磁通切换电机结构定转子极数不匹配，导致电枢绕组不具有互补性，磁链谐波较大，造成转矩脉动。

目前减少磁通切换电机转矩脉动的措施主要有采取转子斜槽的结构和定转子开槽的结构。转子斜槽的结构可以有效减小转矩脉动，提高磁链正弦度，但是不仅结构复杂，而且磁链幅值减小，电机的转矩密度降低。采用定转子上开槽的结构可以有效减小定位力矩，但是该方法未考虑磁链正弦度，且结构复杂。

专利CN101699713采用转子分段式结构，凸极转子间的偏移电角度为180度，实现了两部分结构绕组的互补性，提高了磁链的正弦度，且未影响电机的磁链幅值和转矩输出能力。但是该方法并未考虑定位力矩这一导致转矩脉动的主要因素，不能有效减小电机转矩脉动。

基于以上分析，亟需提出一种新的基于转子分段式结构的减少转矩脉动、提高磁链正弦度的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提出了一种转子分段式磁通切换电机及其转子偏移角确定方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种转子分段式磁通切换电机，所述转子分段式磁通切换电机沿轴向分为结构相同的两段，分别为第一段和第二段；所述第一段由第一定子和第一转子构成，第二段由第二定子和第二转子构成；第一定子和第二定子由同一个绕组线圈缠绕成电枢绕组；第一定子与第二定子相同位置励磁源的励磁方向相反，第一段和第二段之间用隔磁材料间隔；第一转子凸齿与第二转子凸齿间错开一个转子偏移角。

所述励磁源的励磁方向是指：对于永磁磁通切换电机是永磁体的充磁方向，对于电励磁磁通切换电机是励磁绕组的励磁方向。

所述转子偏移角的确定方法，其步骤如下：

步骤A，根据电机的结构参数，得到第一段电机的磁链和定位力矩，通过傅里叶分解，得到第一段电机磁链的基波和二次谐波，以及定位力矩基波和幅值大于基波幅值10%的谐波，第一段电机磁链和定位力矩的表达式，分别如下：

其中，ψ_I为第一段电机的瞬时磁链，Ψ₁和Ψ₂分别为所述第一段电机磁链的基波和二次谐波的幅值；ω是电机的电角速度，t为电机旋转时间，

和

分别为第一段电机磁链的基波和二次谐波的相位；T_cogI为第一段电机的瞬时定位力矩，T_cm1和T_cmn分别为定位力矩基波和n次谐波的幅值；

和

分别为定位力矩基波和n次谐波的相位；其中P为定子极数和转子极数的最小公倍数除以转子极数；∑为和运算，这里是求取所有幅值大于基波幅值10%的谐波之和；

步骤B，以第一转子与第二转子的转子偏移角为变量，得出第二段电机的磁链和第二段电机的定位力矩的表达式，分别如下：

其中，ψ_II为第二段电机的瞬时磁链；T_cogII为第二段电机的瞬时定位力矩；α_s是第一转子与第二转子的转子偏移角；

步骤C，将步骤A中得到的第一段电机的磁链与步骤B中得到的第二段电机的磁链相减，将步骤A中得到的第一段电机的定位力矩与步骤B中得到的第二段电机的定位力矩相加，得到合成磁链ψ和合成定位力矩T_cog，其表达式分别如下；

T_cog=T_cogI+T_cogII

步骤D，根据合成磁链和合成定位力矩，确定转子偏移角，其具体步骤如下：

步骤D-1，由合成定位力矩，得到合成定位力矩峰峰值，所述合成定位力矩峰峰值是转子偏移角的函数，所述定位力矩峰峰值的最小点周期性地出现在不同的转子偏移角上；

步骤D-2，由合成磁链确定第一转子偏移角，在第一转子偏移角，合成磁链的基波幅值最大、二次谐波幅值与基波幅值之比最小；

步骤D-3，在定位力矩峰峰值最小点对应的多个转子偏移角中，选取距离第一转子偏移角最近的转子偏移角作为第二转子偏移角；

步骤D-4，确定转子偏移角，具体如下：

如果第一转子偏移角与第二转子偏移角相等，则选择第一转子偏移角作为转子偏移角；

如果第一转子偏移角与第二转子偏移角不相等，则根据第一转子偏移角与第二转子偏移角之差选择转子偏移角，具体如下：

如果第一转子偏移角与第二转子偏移角之差小于20度，则选择第二转子偏移角作为转子偏移角；

如果第一转子偏移角与第二转子偏移角之差大于20度，则选择第一转子偏移角和第二转子偏移角之和的一半作为转子偏移角。

所述磁链是指：对于永磁磁通切换电机是永磁磁链，对于电励磁磁通切换电机是励磁磁链。

步骤B和D中，所述转子偏移角为电角度。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种转子分段式磁通切换电机及其转子偏移角确定方法。所述分段电机的定子由同一个绕组线圈缠绕成电枢绕组，定子相同位置励磁源的励磁方向相反；转子结构相同，但不同转子突齿间设置转子偏移角；所述转子偏移角的确定方法为：根据第一段电机的结构参数得到总的分段电机的磁链幅值、二次谐波幅值和定位力矩的峰峰值随转子偏移角的关系，进而确定所需转子偏移角。本发明方法减小了转矩脉动，提高了磁链正弦度，不影响磁链幅值和转矩的输出能力；且适用于多种结构磁通切换电机，任意励磁方式，任意定子极数和转子极数，都可使得电机的磁链正弦度高，磁链幅值大，定位力矩小，转矩密度高。

附图说明

图1是本发明电机的转子结构图。

图2是本发明电机的定子结构图；其中(a)是第一定子励磁示意图，(b)是第二定子励磁示意图。

图3为本发明隔齿绕永磁磁通切换电机截面示意图。

图4为磁链幅值、二次谐波含量和定位力矩峰峰值与转子偏移角的关系图。

图5为优化前后的合成永磁磁链波形。

图6为优化前后合成定位力矩波形。

图7为优化前后合成电磁转矩波形。

附图标记说明：图1到图3中，1是第一转子，2是第二转子，3是第一定子，4是第二定子，5是正向充磁永磁体，6是反向充磁永磁体，7是电枢绕组。

具体实施方式

下面结合附图，以12/10结构的隔齿绕永磁磁通切换电机为例，对本发明提出的一种转子分段式磁通切换电机的转子偏移角确定方法进行详细说明。

如图3为12/10结构的隔齿绕永磁磁通切换电机，是一种定子永磁型电机，绕组和永磁体都在定子上，绕组采用了集中绕组，永磁体嵌在定子中，相邻永磁体的充磁方向相反。转子为凸极结构，转子上既无永磁体也无绕组。

如图1和图2所示，所述转子分段式12/10隔齿绕永磁磁通切换电机沿轴向分为结构相同的两段，分别为第一段和第二段；所述第一段由第一定子和第一转子构成，第二段由第二定子和第二转子构成；第一定子和第二定子由相同的绕组线圈缠绕成电枢绕组；分别如图2中(a)、(b)所示，第一定子与第二定子相同位置永磁体的充磁方向相反，第一段和第二段之间用隔磁材料间隔，第一转子凸齿与第二转子凸齿间错开一个指定的转子偏移角。

所述转子偏移角的确定方法，其步骤如下：

（1）根据12/10电机的结构参数，得到第一段电机的磁链和定位力矩，通过傅里叶分解，得到第一段电机磁链的基波和二次谐波，以及定位力矩基波和幅值大于基波幅值10%的谐波，第一段磁链和定位力矩的表达式如下：

其中，ψ_I为第一段电机的瞬时磁链，Ψ₁和Ψ₂分别为所述第一段电机磁链的基波和二次谐波的幅值；ω是电机的电角速度，t为电机旋转时间，

和

分别为第一段电机磁链的基波和二次谐波的相位；T_cogI为第一段电机的瞬时定位力矩，T_cm1和T_cmn分别为定位力矩基波和n次谐波的幅值；

和

分别为定位力矩基波和n次谐波的相位。其中P为定子极数和转子极数的最小公倍数除以转子极数。对于12/10隔齿绕电机，P为6。

（2）以第一转子与第二转子的偏移角度为变量，得到第二段电机电枢绕组中匝链的永磁磁链和第二段电机的定位力矩的表达式，该表达式是关于第一转子与第二转子的偏移角度的表达式，如式（3）和式（4）所示。

其中，ψ_II为第二部分电机的瞬时永磁磁链。T_cogII为第二部分电机的瞬时定位力矩。α_s是第一转子与第二转子的偏移角度，为电角度。

（3）将（1）中得到永磁磁链和定位力矩与（2）中得到的永磁磁链表达式相减，定位力矩表达式相加得到合成的永磁磁链表达式和定位力矩表达式，如式（5）和式（6）所示。

T_cog=T_cogI+T_cogII     (6)

其中，ψ为电机合成瞬时永磁磁链。T_cog为电机的合成瞬时定位力矩。

（4）根据合成定位力矩表达式，使用MATLAB得出合成定位力矩峰峰值随α_s的变化。合成永磁磁链幅值，二次谐波含量k和合成定位力矩峰峰值随α_s的变化如图4所示。选择使合成磁链基波幅值最大、二次谐波含量最小的偏移角，即180°为第一偏移角。由于合成磁链的周期是合成定位力矩的周期的P倍，所以α_s在0°至360°变化时，必有P个使合成定位力矩峰峰值最小的点。在周期性出现的定位力矩峰峰值的最小点中，选取距离第一偏移角最近的定位力矩峰峰值最小点，即198°为第二偏移角。此时第一偏移角与第二偏移角不相等且两角相差20度（电角度）内，则选择第二偏移角作为偏移角，即第一转子和第二转子偏移19.8°机械角度。其中：

$k=\left(2{\mathrm{\Ψ}}_2\cos \frac{{\mathrm{\α}}_s}{2}\right)/{\mathrm{\Ψ}}_1---\left(7\right)$

由优化后的波形可见采用上述方案后有以下效果：

1、优化后的定位力矩为优化前的一半，转矩脉动减小了一半，如图6和图7。

2、优化后的磁链正弦度提高了，如图5。

3、优化后的输出转矩平均值与优化前相差不大，如图7。

需要说明的是，本发明具有通用性，适用于多种结构磁通切换电机，任意励磁方式（电励磁或者永磁），任意定子极数P_s和转子极数P_r，都可使得电机电磁性能最优。

Claims (5)

1.一种转子分段式磁通切换电机，所述转子分段式磁通切换电机沿轴向分为结构相同的两段；其中，第一段由第一定子和第一转子构成，第二段由第二定子和第二转子构成；第一定子和第二定子由同一个绕组线圈缠绕成电枢绕组；第一定子与第二定子相同位置励磁源的励磁方向相反，第一段和第二段之间用隔磁材料间隔；其特征在于，第一转子凸齿与第二转子凸齿间错开一个转子偏移角。

2.根据权利要求1所述的一种转子分段式磁通切换电机，其特征在于，所述励磁源的励磁方向是指：对于永磁磁通切换电机是永磁体的充磁方向，对于电励磁磁通切换电机是励磁绕组的励磁方向。

3.一种如权利要求1所述一种转子分段式磁通切换电机的转子偏移角确定方法，其特征在于，步骤如下：

步骤A，根据电机的结构参数，得到第一段电机的磁链和定位力矩，通过傅里叶分解，得到第一段电机磁链的基波和二次谐波，以及定位力矩基波和幅值大于基波幅值10%的谐波，第一段电机磁链和定位力矩的表达式，分别如下：

其中，ψ_I为第一段电机的瞬时磁链，Ψ₁和Ψ₂分别为所述第一段电机磁链的基波和二次谐波的幅值；ω是电机的电角速度，t为电机旋转时间，和

分别为第一段电机磁链的基波和二次谐波的相位；T_cogI为第一段电机的瞬时定位力矩，T_cm1和T_cmn分别为定位力矩基波和n次谐波的幅值；

和分别为定位力矩基波和n次谐波的相位；其中P为定子极数和转子极数的最小公倍数除以转子极数；∑为和运算，这里是求取所有幅值大于基波幅值10%的谐波之和；

步骤B，以第一转子与第二转子的转子偏移角为变量，得出第二段电机的磁链和第二段电机的定位力矩的表达式，分别如下：

其中，ψ_II为第二段电机的瞬时磁链，T_cogII为第二段电机的瞬时定位力矩；α_s是第一转子与第二转子的转子偏移角；

步骤C，将步骤A中得到的第一段电机磁链与步骤B中得到的第二段电机的磁链相减，将步骤A中得到的第一段电机的定位力矩与步骤B中得到的第二段电机的定位力矩相加，得到合成磁链ψ和合成定位力矩T_cog；

步骤D，根据合成磁链和合成定位力矩，确定转子偏移角，其具体步骤如下：

步骤D-1，由合成定位力矩，得到合成定位力矩峰峰值，所述合成定位力矩峰峰值是转子偏移角的函数，所述定位力矩峰峰值的最小点周期性地出现在不同的转子偏移角上；

步骤D-2，由合成磁链确定第一转子偏移角，在第一转子偏移角，合成磁链的基波幅值最大、二次谐波幅值与基波幅值之比最小；

步骤D-3，在定位力矩峰峰值最小点对应的多个转子偏移角中，选取距离第一转子偏移角最近的转子偏移角作为第二转子偏移角；

步骤D-4，确定转子偏移角，具体如下：

如果第一转子偏移角与第二转子偏移角相等，则选择第一转子偏移角作为转子偏移角；

如果第一转子偏移角与第二转子偏移角不相等，则根据第一转子偏移角与第二转子偏移角之差选择转子偏移角，具体如下：

如果第一转子偏移角与第二转子偏移角之差小于20度，则选择第二转子偏移角作为转子偏移角；

如果第一转子偏移角与第二转子偏移角之差大于20度，则选择第一转子偏移角和第二转子偏移角之和的一半作为转子偏移角。

4.根据权利要求3所述的转子偏移角确定方法，其特征在于，所述磁链是指：对于永磁磁通切换电机是永磁磁链，对于电励磁磁通切换电机是励磁磁链。

5.根据权利要求3所述的转子偏移角确定方法，其特征在于，步骤B和D中，所述转子偏移角为电角度。

Images