CN108880028B - 一种可产生正弦磁通的永磁电机磁极排列结构 - Google Patents
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Abstract
一种可产生正弦磁通的永磁电机磁极排列结构，包括导磁背板和多个磁极，所述磁极均呈有一定厚度的片状结构，具有顶面、底面和两个相互反向180°对置的侧边部，两个侧边部与顶面和底面垂直，多个磁极沿导磁背板的长度方向依次并排平放固定在导磁背板上，多个磁极的各自两个呈尖角状的端部的连线相互平行，并与导磁背板的长度方向形成夹角，每个磁极在与导磁背板的长度方向垂直的宽度方向上的长度大致呈前半周期的正弦规律变化，相邻的两个磁极的内部磁场方向相反，所述多个磁极的内部磁场方向与导磁背板垂直。本发明的永磁电机磁极排列结构在电枢绕组中产生正弦变化的磁通量，使电机反电动势波形具有极高的正弦度，提高电磁转矩的平稳性。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域，具体涉及一种可产生正弦磁通的永磁电机磁极排列结构，适用于电气工程的电机领域，尤其涉及永磁电机电磁设计。
背景技术
目前，大部分永磁电机所采用的转子结构所产生的转子磁场波形呈方波形式，其中含有大量的高次谐波。磁场的高次谐波会对永磁电机性能产生不良影响，主要包括：(1)在电机铁芯中产生高频铁损，降低电机效率；(2)使电机的反电势谐波含量增高，影响电机控制精度；(3)使电机电磁转矩产生较大波动；(4)高次谐波分散磁极磁场能量，削弱基波能量，降低磁钢利用率。因此，提高转子磁场的正弦度对提高永磁电机性能具有重要意义。
在电机转子结构设计中，有文献提出对磁极进行优化设计的方法来改善转子磁场波形。主要包括两种转子类型的永磁电机的转子结构优化：
(1)内嵌式永磁电机
对于磁钢内嵌式永磁电机，为提高转子磁场正弦度，主要采用的方法包括调整内嵌式磁钢的磁极夹角，个数，磁极层数以及改变转子硅钢片外形等方法。此类方法仅能对特定尺寸的电机进行设计，若电机尺寸参数改变，所对应的优化变量也要相应改变，因此不具有通用性，会提高电机设计的开发成本。在电机运行的同时，由于转子硅钢片可能产生的饱和效应，气隙磁场会产生畸变，不能够达到设计时所确定的正弦度。与此同时，对于内嵌式永磁电机的磁场优化会增加电机结构的复杂性，造成电机加工难度的增加，提高电机加工成本。
(2)表贴式永磁电机
对于表贴式永磁电机，为提高转子磁场正弦度，目前主要采用的方法包括采用Halbach磁极阵列或采用类似于PWM波形的分段式磁极阵列。其中，Halbach型磁钢充磁难度大，成品率低，且需要的磁钢体量较大，会造成电机成本的提高。对于PWM波形分段的磁极排列方法，磁场优化变量较多，优化难度较大，且优化参数随电机尺寸改变，同样不具有通用性。
发明内容
为解决上述技术问题，使各相绕组中所交链的永磁体磁通量呈正弦形式变化，提高电机的反电势波形正弦度，提高电磁转矩的平稳度。本发明通过对表贴式磁钢的外形进行特定约束，提出一种可在电机电枢绕组中产生正弦磁通的新型表贴式永磁电机的磁极排列结构。
本发明的一种可产生正弦磁通的永磁电机磁极排列结构，包括导磁背板和多个磁极，所述磁极均呈有一定厚度的片状结构，具有顶面、底面和两个相互反向180°对置的侧边部，两个侧边部均与顶面和底面垂直，一个侧边部的两端与另一个侧边部的两端分别相连，形成磁极的两个呈尖角状的端部，
多个磁极沿导磁背板的长度方向依次连续并排平放固定在导磁背板上，多个磁极的各自两个呈尖角状的端部的连线相互平行，并与导磁背板的长度方向形成夹角，
每个磁极在与导磁背板的长度方向垂直的宽度方向上的长度大致呈前半周期的正弦规律变化，相邻的两个磁极的内部磁场方向相反，所述多个磁极的内部磁场方向与导磁背板垂直。
进一步，所述磁极的顶面和底面大体呈四边形。
进一步，所述磁极的一个侧边部为向外侧凸出的顶部在后部的曲面，另一个侧边部为向外侧凸出的顶部在前部的曲面。
进一步，以在导磁背板的宽度方向上过磁极的左侧端部的线为纵轴并在导磁背板的长度方向上过磁极的下侧端部的线为横轴构建坐标系，导磁背板上的磁极的顶面和底面的下侧的曲线与上侧的曲线关于点(L1/2，W1/2)呈中心对称；
导磁背板上固定的磁极的顶面和底面的上侧曲线的边界函数为：
式中，t满足
W1为导磁背板上的单个磁极在与导磁背板的长度方向垂直的宽度方向上的长度；L1为导磁背板上的单个磁极在导磁背板的长度方向上的长度；a为曲线上各点与该磁极左端端部在导磁背板的长度方向上的距离；θ为该磁极端部连线与导磁背板的长度方向的夹角，h1为曲线上各点与过该磁极左端端部的长度方向延伸线的距离。
本发明提出的永磁电机磁极排列结构能够实现以下有益效果：
(1)本发明提出的永磁电机磁极排列结构在电机工作时能够在电枢绕组中产生按正弦变化的磁通量，使得电机反电动势波形具有极高的正弦度，提高电机电磁转矩的平稳性。
(2)本发明提出的永磁体形状约束条件参数较少，适合于各种电机尺寸，具有很强的通用性。
附图说明
图1是本发明的永磁电机磁极排列结构的平面图；
图2是本发明的永磁电机磁极排列结构的立体图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
在本发明的实施例中，如图1、2所示，所述永磁电机磁极排列结构包括导磁背板1和多个磁极，图1、2中仅示出了4个磁极，各磁极的形状尺寸相同，相邻磁极间具有相同的设置关系。所述磁极均呈有一定厚度的片状结构，各自具有顶面、底面和两个对置的侧边部，顶面和底面大体呈四边形，两个侧边部分别与顶面和底面垂直，一个侧边部的两端与另一个侧边部的两端分别相连，形成磁极的两个呈尖角状的端部。所述磁极一个侧边部为向外侧凸出的顶部在后部的曲面，另一个侧边部为向外侧凸出的顶部在前部的曲面，两个侧边部相互反向180°设置。
以下以相邻的第一磁极2和第二磁极3为例对本实施例中相邻磁极间的设置关系进行说明。
第一磁极2和第二磁极3沿导磁背板1的长度方向L依次连续并排平放固定在导磁背板1上(即，即从垂直于导磁背板1的长度方向看，第一磁极2与第二磁极3的相邻两尖角状端部相接)。第一磁极2的两个呈尖角状的端部的连线与第二磁极3的两个呈尖角状的端部的连线相互平行，并与导磁背板1的长度方向L呈一定角度θ，使得第一磁极2与第二磁极3的相邻端部4、5能够相互错开，减少了第一、第二磁极2、3在尖角状端部的漏磁现象的发生。第一磁极2和第二磁极3在与导磁背板1的长度方向L垂直的宽度方向W上的长度大致呈前半周期的正弦规律变化。
具体的，如图1所示，以在导磁背板1的宽度方向上过磁极的左侧端部的线为纵轴并在导磁背板1的长度方向上过磁极的下侧端部的线为横轴构建坐标系，导磁背板1上的第一磁极2和第二磁极3的顶面和底面的下侧曲线与上侧曲线关于点(L1/2，W1/2)呈中心对称。其中，导磁背板1上的第一磁极2和第二磁极3的顶面和底面的上侧曲线的边界函数为：
式中，t满足
W1为导磁背板上的单个磁极在与导磁背板的长度方向垂直的宽度方向上的长度；L1为导磁背板上的单个磁极在导磁背板的长度方向上的长度；a为曲线上各点与该磁极左端端部在导磁背板的长度方向上的距离；θ为该磁极端部连线与导磁背板的长度方向的夹角，h1为曲线上各点与过该磁极左端端部的长度方向延伸线的距离。
相邻的第一磁极2与第二磁极3的内部磁场方向相反，第一磁极2的顶面为N极，底面为S极，第二磁极3的顶面为S极，底面为N极；第一磁极2与第二磁极3的内部磁场方向与导磁背板1垂直。
在本发明实施例中，仅示出了四个磁极顺序排列的例子，本领域技术人员可以理解，可以在图1、2所示的头尾两个磁极的外侧接续顺序直线并排设置多个相同的磁极，磁极之间的排列方式与第一、第二磁极2、3之间的排列方式相同，可以用于直线电机；如果用于桶形电机，则磁极环绕成桶形布置。
在电机工作过程中，磁极沿运动方向(运动方向即导磁背板的长度方向L)扫过极靴的边界线，极靴边界线一般垂直于运动方向，由于各磁极的宽度方向W上的长度大致呈前半周期的正弦规律变化，则扫过极靴边界线的磁极截面的线长度成正弦规律变化。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种可产生正弦磁通的永磁电机磁极排列结构，包括导磁背板和多个磁极，其特征在于：所述磁极均呈有一定厚度的片状结构，具有顶面、底面和两个侧边部，两个侧边部均与顶面和底面垂直，所述磁极的顶面和底面大体呈四边形，所述磁极的一个侧边部为向外侧凸出的顶部在后部的曲面，另一个侧边部为向外侧凸出的顶部在前部的曲面，两个侧边部相互反向180°对置，一个侧边部的两端与另一个侧边部的两端分别相连，形成磁极的两个呈尖角状的端部，
多个磁极沿导磁背板的长度方向依次连续并排平放固定在导磁背板上，多个磁极的各自两个呈尖角状的端部的连线相互平行，并与导磁背板的长度方向形成夹角，使得相邻磁极的端部能够相互错开，
每个磁极在与导磁背板的长度方向垂直的宽度方向上的长度大致呈前半周期的正弦规律变化，相邻的两个磁极的内部磁场方向相反，所述多个磁极的内部磁场方向与导磁背板垂直。
2.如权利要求1所述的永磁电机磁极排列结构，其特征在于：以在导磁背板的宽度方向上过磁极的左侧端部的线为纵轴并在导磁背板的长度方向上过磁极的下侧端部的线为横轴构建坐标系，导磁背板上的磁极的顶面和底面的下侧的曲线与上侧的曲线关于点(L1/2，W1/2)呈中心对称；
导磁背板上固定的磁极的顶面和底面的上侧曲线的边界函数为：
式中，t满足：
W1为导磁背板上的单个磁极在与导磁背板的长度方向垂直的宽度方向上的长度；L1为导磁背板上的单个磁极在导磁背板的长度方向上的长度；a为曲线上各点与该磁极左端端部在导磁背板的长度方向上的距离；θ为该磁极端部连线与导磁背板的长度方向的夹角，h1为曲线上各点与过该磁极左端端部的长度方向延伸线的距离。
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