CN104184236B - 用于电机的永磁体及其该永磁体的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电机的永磁体，所述的电机包括有电机转子和电机定子，所述电机转子和电机定子之间形成气隙，其特征在于：所述永磁体包括有基底面，该基底面与所述电机转子的外表面相贴合；上顶面，该上顶面与所述气隙相对而设，所述上顶面的轮廓线为正弦波和三次谐波函数叠加而成的曲线，该曲线的具体形状由如下公式表示的函数确定：本发明的优点在于：通过一个正弦加最优三次谐波函数获得新的永磁体结构，在不增加电机的转矩脉动的前提下，增加了转矩输出，电机具有功率密度高、高效节能﹑运转平滑、噪音低等优点。

Description

用于电机的永磁体及其该永磁体的设计方法

技术领域

本发明涉及一种永磁体，特别是一种用于面贴式永磁电机的永磁体及其该永磁体的设计方法。

背景技术

现有的面贴式永磁电机的转子通常采用没有经过削极处理的永磁体，如图1所示，这种电机的永磁体外截面呈圆柱形，由该永磁体产生的气隙磁场谐波含量高，从而导致电机的齿槽转矩大和运行转矩的脉动大，产生较大的振动和噪声，影响整机设备的控制精度和定位精度。

为了减小电机的齿槽转矩和运行转矩脉动，提高设备的控制精度，在现有技术中，已有的申请号为201080013643.X的中国发明专利《永磁体电机和用于电机的永磁体》公开了一种具有永磁体转子的电机以及一种永磁体，在所述电机中永磁体被装配在圆柱形转子的外表面上，形成电机转子磁极的永磁体被定形成使得电机的气隙在磁极的中部基本上是恒定的，并且所述气隙在朝向磁极边缘移动时以基本上直线向前的方式增大，永磁体在中部具有均匀的厚度，并且朝向边缘变细。

上述专利的电机通过改变传统永磁体的形状，其永磁体被定形成使得电机的气隙在磁极的中间区域基本上是恒定的，在从磁极的中间区域向磁极的边缘移动时所述气隙以基本上直线向前的方式增大，并且所述中间区域在转子切线方向上的宽度是磁体宽度的至少一半。该专利的永磁体形状减小了电机的力矩波纹和齿形力矩，但是无法很好的控制电机的平均转矩，这和目前采用正弦函数加工的方法实现永磁体一样，如图2所示，尽管此方法可以减小电机的齿槽转矩和运行转矩脉动，但同时也降低了电机的平均转矩，进而减小电机的转矩密度、运行效率。因此，如何在减小电机的齿槽转矩和运行转矩脉动的前提下，保证电机的平均转矩和运行效率是面贴式永磁电机亟待解决的一个问题，还有待于作出进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种电机的输出效率高且输出转矩脉动小的面贴式永磁电机的永磁体。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种上述面贴式永磁电机用的永磁体的设计方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种用于电机的永磁体，所述的电机包括有电机转子和电机定子，所述电机转子和电机定子之间形成气隙，其特征在于：所述永磁体包括有

基底面，该基底面与所述电机转子的外表面相贴合；

上顶面，该上顶面与所述气隙相对而设，所述上顶面的轮廓线为正弦波和三次谐波函数叠加而成的曲线，该曲线的具体形状由如下公式(I)表示的函数确定：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δh}}_m\left(\mathrm{\θ}\right)={\mathrm{\Δm}}_a[\sin \left(\mathrm{p\θ}\right)+a\sin \left(3\mathrm{p\θ}\right)]\\ {\mathrm{\Δm}}_a=\frac{1}{8a}{\left(\frac{1+3a}{12a}\right)}^{-\frac{3}{2}}\end{array}\right.---\left(I\right)$

其中，上述公式(I)采用极坐标系，公式(I)中的Δh_m(θ)为所述永磁体的上顶面轮廓线上任一点M的极径，θ为所述永磁体的上顶面轮廓线上任一点M的极角；p为电机极对数；a为三次谐波函数的幅值；Δm_a是随三次谐波函数的幅值a变化的一个值。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种永磁体的设计方法，其特征在于：所述的设计方法包括有如下步骤：

(1)、设定所述永磁体的基底面形状为与电机转子的外表面贴合的圆弧面，该圆弧面的半径大小由所述电机转子的半径大小确定；

(2)、设定所述三次谐波函数的幅值a＝1/6，所述永磁体的上顶面曲线形状由如下公式(II)的函数表示：

${\mathrm{\Δh}}_m\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{2\sqrt{3}}{3}[\sin \left(\mathrm{p\θ}\right)+\frac{1}{6}\sin \left(3\mathrm{p\θ}\right)]---\left(\mathrm{II}\right)$

(3)、将所述公式(II)中的函数形成的曲线由三段依次连接的弧线替代，所述三段弧线分别为左半弧、顶弧和右半弧，其中左半弧和右半弧为对称设置；

(4)、设定所述公式(II)中的函数形成的曲线最高点Δh_m(θ)_max和代表电机气隙的水平线相切的点为P1，设定所述公式(II)中的函数形成的曲线最低点Δh_m(θ)_min为P2；

(5)、所述顶弧由以所述永磁体的最大半径为半径且分别经过所述点P1、点P2所画的圆弧确定；

(6)、所述左半弧由分别经过所述点P1、P2且与所述电机气隙的水平线相切的圆弧确定，所述右半弧与所述左半弧对称设置且圆弧半径相等；

(7)、所述左半弧、顶弧和右半弧依次连接，所形成的弧线即为所述永磁体的上顶面轮廓曲线。

为了方便弧面加工，作为优选，所述左半弧、顶弧和右半弧之间为光滑过渡连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过一个正弦加最优三次谐波函数获得新的永磁体结构，由于此永磁体产生的磁场谐波仅有加入了三次谐波，但对于星形连接绕组其三次电流不存在，从而在不增加电机的转矩脉动的前提下，增加了转矩输出，并使得采用该永磁体形状的面贴式永磁电机具有功率密度高、高效节能﹑运转平滑、噪音低等优点。

附图说明

图1为现有技术中的传统永磁体结构示意图之一(矩形)。

图2为现有技术中的传统永磁体结构示意图之二(正弦波)。

图3为本发明实施例的电机总装图。

图4为图3所示的电机转子结构示意图。

图5为本发明实施例电机转子的永磁体结构示意图。

图6为本发明实施例的永磁体外表面形状随极角变化的示意图。

图7为本发明实施例的永磁体转矩随三次谐波幅值变化的示意图。

图8为本发明实施例的三段式加工方法实现的永磁体结构示意图。

图9为本实施例永磁体的电机和现有电机的齿槽转矩随转子位置变化的比较图。

图10为本实施例永磁体的电机和现有电机的转矩随转子位置变化的比较图。

具体实施方式

下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图3～图7所示，本实施例涉及一种永磁体和该永磁体的设计方法，本实施例的永磁体用于贴面式电机，如图3所示为该电机的总装图，电机由电机定子1和电机转子2组成，永磁体3通过高强度胶水被固定在电机转子2的表面。

电机工作时的气隙磁场的分布与永磁体的形状密切相关，传统的永磁体3’通常为如图1所示的矩形结构，该永磁体3’工作时产生的方波分布的磁场谐波含量高，从而导致电机的齿槽转矩和运行转矩的脉动大；图2所示的永磁体3”采用了正弦波分布的磁场，尽管其幅值大小和方波磁场相同，但基波幅值减小了，从而减小了电机的转矩密度，降低了整机效率。

本实施例的永磁体3将正弦波和三次谐波做了叠加，获得具有新型曲面轮廓形状的永磁体结构。本实施例的永磁体3包括有基底面和上顶面，其中，基底面呈圆弧形，该基底面与电机转子的外表面相贴合；

上顶面呈弓形，电机转子和电机定子之间形成的气隙，该上顶面与气隙相对而设，上顶面的轮廓线为正弦波和三次谐波函数叠加而成的曲线，该曲线的具体形状由如下公式(I)表示的函数确定，参见图5、图6：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δh}}_m\left(\mathrm{\θ}\right)={\mathrm{\Δm}}_a[\sin \left(\mathrm{p\θ}\right)+a\sin \left(3\mathrm{p\θ}\right)]\\ {\mathrm{\Δm}}_a=\frac{1}{8a}{\left(\frac{1+3a}{12a}\right)}^{-\frac{3}{2}}\end{array}\right.---\left(I\right)$

上述公式(I)采用极坐标系，公式(I)中的Δh_m(θ)为所述永磁体3的上顶面轮廓线上任一点M的极径，θ为所述永磁体3的上顶面轮廓线上任一点M的极角；p为电机极对数；a为三次谐波函数的幅值；Δm_a是随三次谐波函数的幅值a变化的一个值。

其中，三次谐波函数的幅值a是一个变化的数值，当a＝0时，永磁体3的上顶面轮廓线即为图6虚线t1所示的曲线，此时，永磁体3形状随位置极坐标参数的变化可以由公式Δh_m(θ)＝Δmsin(pθ)表示，Δm为永磁体3的最大厚度(即曲线最高点的高度)；当a＝1/6时，三次谐波函数为图6虚线t2所示的曲线，此时，永磁体3形状随位置极坐标参数的变化可以由公式表示，可以看出当注入三次谐波幅值a为1/6的基波时，电机的转矩输出最大，参见图7。虚线t1和虚线t2分别代表正弦函数和三次谐波函数的曲线，本实施例的永磁体3实际形状即由这两条曲线叠加而得到；可见，正弦函数得到的曲线t1的最高点是由正弦函数加三次谐波函数得到的曲线T的最高点的1.15倍。

但是，图6所示获得的永磁体3在制造时需通过一个正弦加最优三次谐波函数实现，其加工过程复杂，制造成本高。为了简化制造过程，本实施例还提出了一种可以替代上述永磁体简化加工过程的永磁体设计方法，参见图8，该设计方法包括有如下步骤：

(1)、设定永磁体的基底面形状为与电机转子的外表面贴合的圆弧面，该圆弧面的半径大小由电机转子的半径大小确定；

(2)、当设定三次谐波函数的幅值a＝1/6时，此时永磁体的上顶面曲线形状由如下公式(II)的函数表示：

${\mathrm{\Δh}}_m\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{2\sqrt{3}}{3}[\sin \left(\mathrm{p\θ}\right)+\frac{1}{6}\sin \left(3\mathrm{p\θ}\right)]---\left(\mathrm{II}\right)$

(3)、将公式(II)中的函数形成的曲线由三段依次连接的弧线替代，三段弧线分别为左半弧、顶弧和右半弧，其中左半弧和右半弧为对称设置；

(4)、设定公式(II)中的函数形成的曲线最高点Δh_m(θ)_max和代表电机气隙的水平线相切的点为P1，设定公式(II)中的函数形成的曲线最低点Δh_m(θ)_min为P2；

(5)、所述顶弧由以所述永磁体的最大半径为半径且分别经过所述点P1、点P2所画的圆弧确定；

(6)、所述左半弧的半径分别由经过所述点P1、点P2且与所述电机气隙的水平线相切的圆弧确定，所述右半弧的半径与所述左半弧的半径相等；

(7)、左半弧、顶弧和右半弧依次连接，所形成的弧线即为永磁体的上顶面轮廓曲线，并且，左半弧、顶弧和右半弧之间为光滑过渡连接。

可以看到，上述设计方法得到的永磁体其轮廓曲线是由三段圆弧连接而成的，而通过公式(II)获得的永磁体实际曲线形状呈中间稍微下凹而两端凸起的结构，由于中间下凹的幅度很小，实际加工过程中，中间的下凹部可以近似由以永磁体最大半径为半径的圆弧替代，两侧的曲线也分别由左半弧和右半弧通过步骤(4)和步骤(6)的方式确定，这就大大简化了加工过程，降低了加工难度。

图9所示为不同永磁体形状的面贴式永磁电机的齿槽转矩比较图，图10所示为不同永磁体形状的面贴式永磁电机在额定负载情况下的电磁转矩比较图；从图中可以看出，相对于传统的面贴式永磁电机，通过用正弦加三次谐波函数方法设计的永磁体可以减小转矩脉动，相比正弦削极的永磁电机，其平均转矩输出提高了11.5％，而转矩脉动没有增加。另一方面，本实施例采用的三段式圆弧设计方法获得永磁体不仅可以降低永磁体的加工难度，而且其平均转矩输出效率与用标准的正弦削极与三次谐波削极叠加设计获得的永磁体相比还有所提高，而转矩脉动却没有增加，因此用三段式圆弧设计方法替代公式(II)中用正弦削极与三次谐波削极叠加的设计方法加工本实施例的永磁体是完全可行的，也是更为实用和高效的一种方法。

Claims (1)

1.一种用于电机的永磁体，所述的电机包括有电机转子和电机定子，所述电机转子和电机定子之间形成气隙，其特征在于：所述永磁体包括有

基底面，该基底面与所述电机转子的外表面相贴合；

上顶面，该上顶面与所述气隙相对而设，所述上顶面的轮廓线为正弦波和三次谐波函数叠加而成的曲线，该曲线的具体形状由如下公式表示的函数确定：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δh}}_m\left(\mathrm{\θ}\right)={\mathrm{\Δm}}_a\[sin\left(p\mathrm{\θ}\right)+asin\left(3p\mathrm{\θ}\right)\]\\ {\mathrm{\Δm}}_a=\frac{1}{8a}{\left(\frac{1+3a}{12a}\right)}^{-\frac{3}{2}}\end{array}\right.---\left(I\right)$

其中，上述公式(I)采用极坐标系，公式(I)中的Δh_m(θ)为所述永磁体的上顶面轮廓线上任一点M的极径，θ为所述永磁体的上顶面轮廓线上任一点M的极角；p为电机极对数；a为三次谐波函数的幅值；Δm_a是随三次谐波函数的幅值a变化的一个值。