一种虚拟极分数槽集中绕组轮辐式永磁电机及其转矩脉动抑制方法与流程

本发明涉及到轮辐式永磁同步电机的设计，特别是降低轮辐式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。而切向充磁的轮辐式永磁同步电机，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，研究轮辐式永磁同步电机成为热点。轮辐式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。但是轮辐式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。虽然轮辐式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，研究削弱轮辐式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。对于轮辐式永磁同步电机转矩脉动的抑制，国内外一般采用如下方法，如斜槽、优化绕组、多目标优化设计等方法。这些方法普遍的一个缺点，过程很复杂、耗时，且降低电机转矩脉动的原理不清晰。所以在准确分析转矩脉动来源的基础上，快速减小轮辐式永磁同步电机转矩脉动是需要重点研究的方向。

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。对于轮辐式永磁同步电机转矩脉动的抑制，国内外一般采用如下方法，如斜槽、优化绕组、多目标优化设计等方法。这些方法普遍的一个缺点，过程很复杂、耗时，且降低电机转矩脉动的原理不清晰。

技术实现要素：

本发明的目的是，提出了一种虚拟极分数槽集中绕组轮辐式永磁电机及其转矩脉动抑制方法。在新型虚拟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，然后根据转矩脉动的理论公式，推导出的不等极弧系数公式，将相邻虚拟磁极极弧系数设计成不等，以消除转矩脉动中的12次谐波；接着采用星三角绕组混合连接来减小转矩脉动中的6次、18次谐波。

本发明采用的技术方案是：一种虚拟极分数槽集中绕组轮辐式永磁电机，该电机包括外定子、嵌在定子槽中的星三角绕组混合连接的分数槽集中绕组、以及具有虚拟磁极的轮辐式内转子；在内转子外沿增设虚拟极，使得各内转子单元形成凸字型；相邻虚拟极设计成非对称，此时相邻虚拟极的极弧系数不等；所述分数槽集中绕组包含两套三相绕组，一套三相绕组以三角型连接，三角形绕组的三个入线端接星型绕组的出线端，形成星三角混合绕组。

进一步，所述内转子上增设的虚拟极，使得内转子形成10个凸字型转子铁芯和10个永磁体，虚拟极和转子相连且为硅钢片材料，使得各转子单元形成凸字型，所述永磁体内置在内转子上，相邻永磁体极性交错分布。

进一步，三角形绕组的匝数是星型绕组匝数的1.732倍。

在采用非对称虚拟极和星三角绕组混连的基础上其具体的转矩脉动抑制方法的实现步骤如下：

步骤1，对目标电机的极槽配比进行分析，根据转子极数和定子槽数的关系，计算一个电周期内转矩脉动的波动周期数，确定其总体波动趋势；

步骤2，提出一种带有虚拟极的新型轮辐式永磁同步电机，为采用不等极弧系数降低转矩脉动提供基础；

步骤3，根据转矩脉动产生的原理，确定影响三相永磁同步电机转矩脉动的转子磁动势谐波阶次，然后根据转子气隙磁密和转子磁动势成正比的关系，确定影响转矩脉动的转子气隙磁密的谐波阶次；

步骤4，对转子气隙磁密在不等磁极极弧系数时的傅里叶表达式的推导，进而推导出不等极弧系数角度差值与特定转矩脉动阶次的关系；

步骤5，为了削弱转矩脉动中的1次主要谐波，获得不等极弧系数的准确差值θ，对所选虚拟磁极进行极弧系数的改变；

步骤6，为了削弱转矩脉动中的其他次主要谐波，采用星三角绕组混合连接。

进一步，所述步骤1中的转矩脉动的波动周期数计算公式为：

其中，v表示一个电周期内转矩脉动的波动周期数，s表示电机的槽数，p表示电机的极对数，n2ps表示电机槽数与极数的最小公倍数n2ps＝lcm(s，2p)。

进一步，所述步骤2中的带有虚拟极的轮辐式永磁同步电机是在传统轮辐式永磁同步电机的转子外沿增设虚拟极，虚拟极和传统转子相连且为硅钢片材料，使得各转子单元形成凸字型。

进一步，所述步骤3中五相永磁同步电机的转矩脉动的计算公式为：

其中，tpul表示输出转矩平均值，其中μ0是空气的磁导率，g是气隙长度，rg是中间气隙的半径，l是叠片堆叠长度，γd表示为电流角，h为谐波阶次，fsh和frh分别为h阶定子和转子磁动势。所以能够产生转矩脉动的定转子磁动势谐波阶次为：h＝6m±1，m＝1,2,3…，则影响转矩脉动的转子气隙磁密的谐波阶次为：h＝6m±1，m＝1,2,3…。

进一步，所述步骤4中的转子气隙磁密的傅里叶表达式为：

其中，转子气隙磁密傅里叶分解系数αp1是n极的极弧系数，αp2是s极的极弧系数，br是n极所提供的磁通密度。

进一步地，brn可表示为：

其中，

进一步地，a1和a2均为正数，若和相位相反，则brn的幅值会小于a1和a2中任何一项。此时，即

此时有两种选择。

第一种:

其中，m是转矩脉动的主要谐波次数。

为了减小转矩脉动中的m次主要谐波，须降低气隙里面的或次谐波，此时虚拟磁极极弧系数应满足：

或

为了同时减少次和次谐波，虚拟磁极极弧系数应满足：

因此，用于减小总转矩脉动的m次谐波的虚拟磁极极弧系数之和可以推导为：

第一种情况，由于减小转矩脉动主要谐波所对应的虚拟磁极极弧系数之和过小，会导致输出转矩平均值过小，所以第一种方法不可行。

第二种:

为了减小转矩脉动中的m次主要谐波，须降低气隙里面的或次谐波，此时虚拟磁极极弧系数应满足：

或

为了同时减少次和次谐波，虚拟磁极极弧系数应满足：

所以，用于减小总转矩脉动的m次谐波的虚拟磁极极弧系数之差可以推导为：

第二种情况，由于减小转矩脉动主要谐波所对应的虚拟磁极极弧系数之差较小，对于极弧系数的选取比较有利，所以第二种方法可行。

进一步，所述步骤5中的不等极弧系数削弱转矩脉动中的1次谐波的极弧系数差值的准确角度θ为：

进一步，所述步骤6中的星三角绕组混合连接的绕组因数为0.966，而星形绕组连接的绕组因数为0.933。通过使用星三角绕组混合连接，定子磁动势可以被消除的谐波阶次v可以表示为

v＝4mk±1,k＝0,±1,±2….

本发明采用的有益效果是：

1.与传统的轮辐式永磁同步电机相比，带有虚拟极的轮辐式永磁同步电机为使用不等极弧系数提供了便利。

2.本发明中的带有虚拟极的轮辐式永磁同步电机进行不等极弧系数后，不局限于降低齿槽转矩带来的转矩脉动，还能够有效地减小永磁转矩或磁阻转矩带来转矩脉动，优化反电势以及减小最终的输出转矩脉动，使电机在稳定性方面有明显的提升。

3.本发明中的带有虚拟极的轮辐式永磁同步电机进行星三角绕组混合连接后，在降低电机转矩脉动的同时，在一定程度上弥补了因不等极弧系数的使用而导致的电机输出转矩损失。

4.本发明的电机虚拟磁极极弧系数不等法中包含不等极弧系数的理论推导，能够根据转矩脉动的主要来源成分，通过合理的选择不等极弧系数的角度差值降低转矩脉动的1次主要谐波，接着通过使用星三角绕组混合连接降低转矩脉动的其他次主要谐波，可以使得不同的相数或者不同槽极配合的电机可以达到类似的效果。

附图说明

图1为传统轮辐式永磁同步电机(原电机)的结构图。

图2为本发明中虚拟极磁极、磁极极弧系数不等的选取示意图。

图3为本发明中虚拟极分数槽集中绕组轮辐式永磁电机(实施例电机)的结构图。

图4为本发明中原电机和实施例电机的齿槽转矩比较图。

图5为本发明中原电机和实施例电机的输出转矩比较图。

图6为本发明中原电机和实施例电机的输出转矩谐波分析图。

图7为本发明中实施例电机在不同电流角度下的的输出转矩和转矩脉动分析图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，传统轮辐式永磁同步电机包括外定子1、内转子2、永磁体4；所述外定子1包括12个定子槽和嵌在其中的双层分数槽集中绕组3；所述内转子2包括10个转子铁芯和10个永磁体4，永磁体的励磁方向如图中所示。

如图2所示，第一步在传统轮辐式转子的外沿增设虚拟极形成具有虚拟磁极的转子；第二步，将相邻虚拟磁极转子的极弧系数设计成不等，形成虚拟极不等极弧系数的转子。进而可形成如图3所示的虚拟极分数槽集中绕组轮辐式永磁电机。在该电机中包括外定子1、内转子2、永磁体4；所述外定子1包括12个定子槽和嵌在其中的双层分数槽集中绕组3；该双层绕组分为两套三相绕组，其中一套星型连接，另外一套三角形连接，三角形绕组匝数是星型绕组匝数的1.732倍；所述内转子2上增设了虚拟极5，形成10个凸字型转子铁芯和10个永磁体4，永磁体的励磁方向如图中所示。

下面以12槽10极轮辐式永磁同步电机为例，其方法步骤如下所示。

步骤1，对目标电机的极槽配比进行分析，根据转子极数和定子槽数的关系，计算一个电周期内转矩脉动的波动周期数，确定其总体波动趋势。转矩脉动的波动周期数计算公式为：转矩脉动的波动周期数计算结果为v＝12。其中s＝12，p＝5；n2ps＝lcm(12,10)＝60。

步骤2，提出如图3所示的虚拟极分数槽集中绕组轮辐式永磁电机，为采用不等极弧系数降低转矩脉动提供基础；

步骤3，根据转矩脉动产生的原理，确定影响转矩脉动的转子磁动势谐波阶次，然后根据转子气隙磁密和转子磁动势成正比的关系，确定影响转矩脉动的转子气隙磁密的谐波阶次。转矩脉动的计算公式为：

其中，tpul表示输出转矩平均值，其中μ0是空气的磁导率，g是气隙长度，rg是中间气隙的半径，l是叠片堆叠长度，γd表示为电流角，h为谐波阶次，fsh和frh分别为h阶定子和转子磁动势。所以能够产生转矩脉动的定转子磁动势谐波阶次为：h＝6m±1，m＝1,2,3…，则影响转矩脉动的转子气隙磁密的谐波阶次为：h＝6m±1，m＝1,2,3…。

步骤4，首先，对转子气隙磁密在不等虚拟磁极极弧系数时的傅里叶表达的推导，进而推导出不等虚拟磁极极弧系数角度差值对削弱特定转矩脉动阶次的公式。转子气隙磁密的傅里叶表达式为：

其中，转子气隙磁密傅里叶分解系数αp1是n极的极弧系数，αp2是s极的极弧系数，br是n极所提供的磁通密度。

进一步地，brn可表示为：

其中，

进一步地，a1和a2均为正数，若和相位相反，则brn的幅值会小于a1和a2中任何一项。此时，即

此时有两种选择。

第一种:

其中，m是转矩脉动的主要谐波次数。

为了减小转矩脉动中的m次主要谐波，须降低气隙里面的或次谐波，此时虚拟磁极极弧系数应满足：

或

为了同时减少次和次谐波，虚拟磁极极弧系数应满足：

因此，用于减小总转矩脉动的m次谐波的虚拟磁极极弧系数之和可以推导为：

第一种情况，由于减小转矩脉动主要谐波所对应的虚拟磁极极弧系数之和过小，会导致输出转矩平均值过小，所以第一种方法不可行。

第二种:

为了减小转矩脉动中的m次主要谐波，须降低气隙里面的或次谐波，此时虚拟磁极极弧系数应满足：

或

为了同时减少次和次谐波，虚拟磁极极弧系数应满足：

所以，用于减小总转矩脉动的m次谐波的虚拟磁极极弧系数之差可以推导为：

第二种情况，由于减小转矩脉动主要谐波所对应的虚拟磁极极弧系数之差较小，对于极弧系数的选取比较有利，所以第二种方法可行。

步骤5，为了削弱转矩脉动中的1次主要谐波，计算一次不等极弧系数的准确角度：也就是αp1-αp2＝1/12×36°＝6°(m＝1)。

步骤6，星三角绕组混合连接的绕组因数为0.966，而星形绕组连接的绕组因数为0.933。通过使用星三角绕组混合连接，定子磁动势可以被消除的谐波阶次v可以表示为

v＝4mk±1,k＝0,±1,±2….

因此，星三角绕组混合连接在降低电机转矩脉动的同时，在一定程度上弥补了因不等极弧系数的使用导致的电机转矩损失。

图4为本发明中原电机和实施例电机的齿槽转矩比较图。由图4所示可以看出，原电机的齿槽转矩幅值为443mnm，而实施例电机的齿槽转矩的幅值仅为80mnm。由于不等极弧系数的使用，电机的齿槽转矩有了大幅下降。

图5和图6反映了原电机和实施例电机在最终的输出转矩及其谐波分析方面的比较。如图5所示，与原电机相比，实施例电机的转矩脉动显著下降。如图6所示，与原电机相比，实施例电机的转矩脉动的6次、12次和18次谐波显著降低。与原电机相比，实施例电机的转矩脉动由15.9％下降到了2.5％。当然，由于虚拟极、不等极弧系数的使用，实施例电机的输出转矩平均值略有下降，而星三角绕组混合连接弥补了一部分转矩损失，输出转矩由16.19nm下降到了15.42nm。

图7为本发明中实施例电机在不同电流角度下的的输出转矩和转矩脉动分析图。如图7所示，在0-90°电角度下，电机的转矩脉动均小于3.5％。因此，所提出的一种降低轮辐式转矩脉动的方法是非常有效的。

综上，本发明公开了一种虚拟极分数槽集中绕组轮辐式永磁电机及其转矩脉动抑制方法。在新型虚拟极轮辐式永磁同步电机的基础上，通过选择合适的不等极弧系数，以减小电机的转矩脉动主要来源、优化反电势。具体包括：转子气隙磁密在不等磁极极弧系数时的傅里叶表达的推导、不等磁极极弧系数角度差值对削弱特定转矩脉动阶次的公式。根据推导出的不等极弧系数公式，将虚拟磁极间隔性极弧系数不等，以消除转矩脉动的12次谐波；接着采用星三角绕组混合连接来减小转矩脉动的6次、18次主要谐波，从而达到减小整体转矩脉动的目的。另外，星三角绕组混合连接的基波绕组因数为0.966，而传统星形绕组连接为0.933。因此，星三角绕组混合连接在一定程度上弥补了因不等极弧系数的使用导致的转矩损失。这个方法可用于不同槽极配比和不同相数的电机，降低来源于不同转矩成分所引起的转矩脉动。同时，在尽量减小电机的转矩脉动的情况下，保持较高的永磁体利用率，实现最优的效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。