本發(fā)明屬于電機(jī)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的裝置、永磁電機(jī)及方法。

背景技術(shù)：

隨著永磁材料性能的不斷提高，永磁電機(jī)越來越廣泛地應(yīng)用于高性能的速度和位置控制系統(tǒng)，然而在永磁電機(jī)中，永磁體和有槽電樞鐵心相互作用，不可避免地產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，引起振動(dòng)和噪聲，影響系統(tǒng)的控制精度。

為了解決上述問題，現(xiàn)有技術(shù)提出了多種方法，如圖1所示，將永磁體沿軸向上均勻分段，然后這多段永磁體沿圓周方向錯(cuò)開一定的角度，通過此方法減小電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。該方法雖然能在一定程度上減小齒槽轉(zhuǎn)矩，但是由于軸向上各段磁極錯(cuò)開了一定的角度，各段產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩會(huì)發(fā)生相位偏移，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提出了一種減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的裝置、永磁電機(jī)及方法。其目的在于解決現(xiàn)有永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的技術(shù)問題；本發(fā)明提供一種減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的裝置、永磁電機(jī)及方法，顯著地減小齒槽轉(zhuǎn)矩，同時(shí)不影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。

作為本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提供一種減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的裝置，包括：

鐵芯以及設(shè)置在所述鐵芯周圍的永磁體單元，所述永磁體單元包括n段永磁體，n段永磁體分為m段正永磁體和n-m段負(fù)永磁體，m段正永磁體和n-m段負(fù)永磁體沿軸向同軸排列于同一圓柱面；

m段正永磁體記為第1段正永磁體，……，第i段正永磁體，……，第m段正永磁體，且第i段正永磁體的極弧系數(shù)為使得第i段正永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩在前半周期為正值；

n-m段負(fù)永磁體記為第1段負(fù)永磁體，……，第j段負(fù)永磁體，……，第n-m段負(fù)永磁體，第j段負(fù)永磁體極弧系數(shù)為使得第j段負(fù)永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩在前半周期為負(fù)值；

其中，1≤i≤n，1≤j≤n-m，m＜n，k、m均為整數(shù)，i為正永磁體次序，j為負(fù)永磁體次序，n為永磁體總段數(shù)，m為正永磁體的數(shù)量，ns為槽數(shù)，np為極數(shù)，nl是槽數(shù)ns和極數(shù)np的最小公倍數(shù)。

優(yōu)選地，n段永磁體的厚度相等，正永磁體數(shù)量等于負(fù)永磁體數(shù)量，第i段正永磁體的極弧系數(shù)與第j段負(fù)永磁體的極弧系數(shù)滿足

其中，為第i段正永磁體的極弧系數(shù)，為第j段負(fù)永磁體的極弧系數(shù)，i的數(shù)值與j數(shù)值相等，l為整數(shù)。

作為本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供一種永磁電機(jī)，包括定子與轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子為權(quán)利要求1所述裝置。

作為本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供一種減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，包括如下步驟：

在轉(zhuǎn)子鐵芯周圍設(shè)置m段正永磁體和n-m段負(fù)永磁體，m段正永磁體和n-m段負(fù)永磁體沿軸向同軸排列于同一圓柱面；

每段正永磁體的極弧系數(shù)為使每段正永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩在前半周期為正值；

每段負(fù)永磁體的極弧系數(shù)為使每段負(fù)永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩在前半周期為負(fù)值；實(shí)現(xiàn)減少永磁體齒槽轉(zhuǎn)矩；

其中，m＜n，k、m為整數(shù)，n為正永磁體和負(fù)永磁體總數(shù)量，m為正永磁體的數(shù)量，ns為槽數(shù)，np為極數(shù)，nl是槽數(shù)ns和極數(shù)np的最小公倍數(shù)。

優(yōu)選地，當(dāng)所述任意正永磁體厚度和任意負(fù)永磁體厚度相同且正永磁體數(shù)量等于負(fù)永磁體數(shù)量時(shí)，第i段正永磁體的極弧系數(shù)與第j段負(fù)永磁體的極弧系數(shù)滿足公式

其中，為第i段正永磁體的極弧系數(shù)，為第j段負(fù)永磁體的極弧系數(shù)，i的數(shù)值與j數(shù)值相等，1≤i≤m，1≤j≤n-m，l、n均為整數(shù)。

總體而言，通過本發(fā)明所提出的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得的有益效果為：

1、將永磁體單元沿軸向分成多段，讓正永磁體的極弧系數(shù)為使正永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩在前半周期為正值，后半周期為負(fù)值，讓負(fù)永磁體的極弧系數(shù)為使負(fù)永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩在前半周期為負(fù)值，后半周期為正值。由于永磁體齒槽轉(zhuǎn)矩為n段永磁體齒槽轉(zhuǎn)矩之和，在前半周期，負(fù)永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩和正永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩相互抵消，可以更為顯著地減小齒槽轉(zhuǎn)矩同時(shí)不影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。

2、當(dāng)將永磁體單元沿軸向等分成多段，讓正永磁體的數(shù)量與負(fù)永磁體的數(shù)量相同，且設(shè)置正永磁體的極弧系數(shù)和負(fù)永磁體的極弧系數(shù)，使正永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩與負(fù)永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩完全抵消，實(shí)現(xiàn)永磁體總齒槽轉(zhuǎn)矩完全抵消。

3、本發(fā)明提供的方法以永磁體齒槽轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)函數(shù)，以各段永磁體的極弧系數(shù)為優(yōu)化參數(shù)，采用智能優(yōu)化算法，選擇最優(yōu)的永磁體極弧系數(shù)組合。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)提供的永磁電機(jī)斜極結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的裝置實(shí)施例中采用解析法獲得的各段永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩；

圖4是永磁電機(jī)斜極時(shí)采用有限元法獲得的各段永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩；

圖5是永磁電機(jī)斜極時(shí)采用有限元法獲得的永磁體的總輸出轉(zhuǎn)矩；

圖6是本發(fā)明提供的減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的裝置實(shí)施例中采用有限元法獲得的各段永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩；

圖7是本發(fā)明提供的減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的裝置實(shí)施例中采用有限元法獲得的永磁體的總輸出轉(zhuǎn)矩；

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提供的減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的裝置，該裝置包括鐵芯以及永磁體單元，永磁體單元排列于鐵芯周圍，永磁體單元包括n段永磁體，n段永磁體分為m段正永磁體和n-m段負(fù)永磁體，m段正永磁體和n-m段負(fù)永磁體沿軸向同軸排列于同一圓柱面；

m段正永磁體記為第1段正永磁體，……，第i段正永磁體，……，第m段正永磁體，且第i段正永磁體的極弧系數(shù)為使得第i段正永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩在前半周期為正值；

n-m段負(fù)永磁體記為第1段負(fù)永磁體，……，第j段負(fù)永磁體，……，第n-m段負(fù)永磁體，第j段負(fù)永磁體極弧系數(shù)為使得第j段負(fù)永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩在前半周期為負(fù)值；

其中，1≤i≤n，1≤j≤n-m，m＜n，k、m、n均為整數(shù)。

每段永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：

式中，lef是每段永磁體軸向有效長(zhǎng)度，bδ是氣隙磁密最大值，ns為槽數(shù)，np為極數(shù)，r2是氣隙外徑，r1是氣隙內(nèi)徑，μo是真空的磁導(dǎo)率，nl是槽數(shù)ns和極數(shù)np的最小公倍數(shù)，β是槽口寬度與齒距之間的比值，αp是極弧系數(shù)，α是轉(zhuǎn)子位置角。

第i段正永磁體的極弧系數(shù)為代入上述齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式中，齒槽轉(zhuǎn)矩tcog(α)為正弦函數(shù)，齒槽轉(zhuǎn)矩tcog(α)在前半周期為正值，在后半周期為負(fù)值，齒槽轉(zhuǎn)矩tcog(α)的初始相位為0，幅值與每段正永磁體的軸向有效長(zhǎng)度以及電機(jī)其他參數(shù)相關(guān)。

第j段負(fù)永磁體的極弧系數(shù)為代入上述齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式中，齒槽轉(zhuǎn)矩tcog(α)為正弦函數(shù)，齒槽轉(zhuǎn)矩tcog(α)在前半周期為負(fù)值，在后半周期為正值，齒槽轉(zhuǎn)矩tcog(α)的初始相位為0，幅值與每段負(fù)永磁體的軸向有效長(zhǎng)度以及電機(jī)其他參數(shù)相關(guān)。

電機(jī)永磁體單元的齒槽轉(zhuǎn)矩為所有正永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩與所有負(fù)永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩之和。在前半周期內(nèi)，各段正永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩為正值，各段負(fù)永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，正永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩與負(fù)永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩相互抵消。在后半周期內(nèi)，各段正永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，各段負(fù)永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩為正值，正永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩與負(fù)永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩相互抵消。因此，本發(fā)明提供永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩顯著減少。

另外，各段正永磁體之間、各段負(fù)永磁體之間以及正永磁體與負(fù)永磁體之間均未發(fā)偏移，故各段正永磁體的轉(zhuǎn)矩初始相位與各段負(fù)永磁體的轉(zhuǎn)矩初始相位均相同，永磁體總轉(zhuǎn)矩為各段正永磁體的轉(zhuǎn)矩與各段負(fù)永磁體的轉(zhuǎn)矩之和，因此，相較于采用斜極式結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩而言，采用不同極弧系數(shù)對(duì)永磁電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩影響更小。

當(dāng)任意正永磁體厚度與任意負(fù)永磁體厚度相等，且正永磁體數(shù)量等于負(fù)永磁體數(shù)量時(shí)，第i段正永磁體的極弧系數(shù)與第j段負(fù)永磁體的極弧系數(shù)滿足如下公式：

其中，為第i段正永磁體的極弧系數(shù)，為第j段負(fù)永磁體的極弧系數(shù)，i的數(shù)值與j的數(shù)值相同，l為整數(shù)。

可以實(shí)現(xiàn)第i段正永磁體齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值與第j段負(fù)永磁體齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值相同，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)第i段正永磁體齒槽轉(zhuǎn)矩與第j段負(fù)永磁體齒槽轉(zhuǎn)矩完全抵消，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)永磁體總齒槽轉(zhuǎn)矩完全抵消。

圖2為本發(fā)明提供的減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置應(yīng)用于8極12槽的表貼式徑向永磁同步電機(jī)，該裝置包括鐵芯31以及永磁體單元，永磁體單元包括4段永磁體，每段永磁體沿軸向同軸排列于同一圓柱面，第2段負(fù)永磁體42位于第1段負(fù)永磁體41下方，第1段正永磁體43位于第2段負(fù)永磁體42下方，第2段正永磁體44位于第1段正永磁體43下方。第1負(fù)永磁體41的極弧系數(shù)為0.8，第2負(fù)永磁體42的極弧系數(shù)為0.7。第1正永磁體43的極弧系數(shù)為0.6，第2正永磁體44的極弧系數(shù)為0.5。當(dāng)極弧系數(shù)在0.5-0.6時(shí)，永磁體齒槽轉(zhuǎn)矩在前半個(gè)周期的相位正的，當(dāng)極弧系數(shù)在0.7-0.8時(shí)，永磁體齒槽轉(zhuǎn)矩在前半個(gè)周期的相位是負(fù)的。正永磁體與負(fù)永磁體的上下位置關(guān)系不限于上述排列方式，可以為任意的上下位置關(guān)系，即第1段負(fù)永磁體41、第1段正永磁體43、第2段負(fù)永磁體42以及第2正永磁體44從上至下依次排列，或第1段負(fù)永磁體41、第2段正永磁體44、第2段負(fù)永磁體42以及第1正永磁體43從上至下依次排列。

圖3是本發(fā)明提供的減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的裝置實(shí)施例中采用解析法獲得的各段永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩；由圖可知，極弧系數(shù)為0.5和0.6時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩在前半周期為正，極弧系數(shù)為0.7和0.8時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩在前半周期為負(fù)。

圖4是永磁電機(jī)斜極時(shí)采用有限元法獲得的各段永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩；該永磁電機(jī)的磁鋼與不同極弧系數(shù)的永磁電機(jī)的磁鋼用量相同，永磁體被分為三段，第二段永磁體相對(duì)第一段永磁體偏移5°，第三段永磁體相對(duì)第二段永磁體偏移5°，第二段永磁體且偏移方向與第三永磁體偏移方向相同。

圖5是永磁電機(jī)斜極時(shí)采用有限元法獲得的永磁體的總輸出轉(zhuǎn)矩；由于永磁體采用斜極式，每段永磁體輸出轉(zhuǎn)矩的初始相位不同，對(duì)轉(zhuǎn)子分段斜極式永磁電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩影響大。

圖6是本發(fā)明提供的減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的裝置實(shí)施例中采用有限元法獲得的各段永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩；可看出采用本發(fā)明提出的方法齒槽轉(zhuǎn)矩減小得更小。

圖7是本發(fā)明提供的減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的裝置實(shí)施例中采用有限元法獲得的永磁體的總輸出轉(zhuǎn)矩；在磁鋼用量相同的情況下，不同極弧系數(shù)永磁體產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩比斜極式永磁體產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩更大。

圖4至圖7可知，本發(fā)明提出的不同極弧系數(shù)的永磁電機(jī)不僅能更為顯著地消除齒槽轉(zhuǎn)矩，同時(shí)可以不影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。

本發(fā)明提供的減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的方法第一實(shí)施例，包括如下步驟：

在轉(zhuǎn)子鐵芯周圍設(shè)置m段正永磁體和n-m段負(fù)永磁體，m段正永磁體和n-m段負(fù)永磁體沿軸向同軸排列于同一圓柱面。

從n段永磁體中任意選擇m段永磁體，m段永磁體記為第1段正永磁體，第2段正永磁體，……，第i段正永磁體，……，第m段正永磁體，第i段正永磁體的極弧系數(shù)為其中，1≤i≤n，k、n均為整數(shù)。

剩余的第n-m段永磁體記為第1段負(fù)永磁體、第2段負(fù)永磁體、……、第j段負(fù)永磁體、……、第n-m段負(fù)永磁體，第j段負(fù)永磁體的極弧系數(shù)為1≤j≤n-m，m為整數(shù)。

將電機(jī)永磁體單元在軸向上分段分成多段永磁體，各段永磁體采用不同的極弧系數(shù)，使這幾組不同的極弧系數(shù)下，齒槽轉(zhuǎn)矩的相位有正有負(fù),從而削弱了合成的齒槽轉(zhuǎn)矩，同時(shí)不影響電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩輸出。

當(dāng)永磁體被等分成n段，且正永磁體數(shù)量等于負(fù)永磁體數(shù)量時(shí)，第i段正永磁體的極弧系數(shù)與第j段負(fù)永磁體的極弧系數(shù)滿足如下公式：

其中，為第i段正永磁體的極弧系數(shù)，為第j段負(fù)永磁體的極弧系數(shù)，i的數(shù)值與j的數(shù)值相同，l為整數(shù)。

可以實(shí)現(xiàn)正永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩和負(fù)永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩可以完全抵消，進(jìn)而使得永磁體總齒槽轉(zhuǎn)矩為零。

在本發(fā)明提供的減小永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩方法之上，通過有限元仿真，利用遺傳算法將齒槽轉(zhuǎn)矩最小值作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)每段的極弧系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選取最優(yōu)的極弧系數(shù)組合，進(jìn)一步減少永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。