一种表贴式永磁同步电机的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种表贴式永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子设置有电枢齿槽，所述转子沿圆周设置有偶数个永磁磁极，其特征在于，所述转子还设置有一个软铁磁极，所述软铁磁极设置于相邻两个永磁磁极之间，所述软铁磁极和永磁磁极沿圆周等间距分布，所述软铁磁极的密度和永磁磁极的密度相同。本发明可以抑制原齿槽转矩中谐波，而达到降低齿槽转矩的效果。
【专利说明】
一种表贴式永磁同步电机
技术领域
[0001] 本发明涉及一种同步电机，更具体的说，是涉及一种表贴式永磁同步电机。
【背景技术】
[0002] 众所周知，由于永磁体和电枢齿槽之间相互作用力的切向分量，在运转过程中会 产生称为齿槽转矩的脉动转矩，使转矩波动率增大，影响永磁电机的运转。
[0003] 通常消除齿槽转矩的方法为将带有绕组的定子在铁芯长度范围内斜出本身一个 槽节距，或者将带有永磁体的转子斜出定子一个槽节距，但是前者将使槽满率降低，后者将 导致充磁工装不能通用且需要工艺要求较高，成本较高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种能够降低齿槽转矩的表贴 式永磁同步电机。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0006] 本发明的一种表贴式永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子设置有电枢齿槽， 所述转子沿圆周设置有偶数个永磁磁极，所述转子还设置有一个软铁磁极，所述软铁磁极 设置于相邻两个永磁磁极之间，所述软铁磁极和永磁磁极沿圆周等间距分布，所述软铁磁 极的密度和永磁磁极的密度相同。
[0007] 所述软铁磁极的宽度按以下公式一进行设置，
[0008]
[0009] 其中，bi是永磁磁极宽度;b2是软铁磁极宽度;93是软铁磁极对应角度；是永磁磁 极对应角度;P是永磁磁极极对数;Z是定子槽数;N p是永磁磁极的周期数，等于永磁磁极极 数除以定子槽数和永磁磁极极数的最大公约数;D2是内转子电机的转子外径或外转子电机 的转子内径。
[0010] 所述软铁磁极的对应角度按以下公式二进行设置，
[0011]
[0012] 其中，93是永磁磁极对应角度;是软铁磁极对应角度;p是永磁磁极极对数;Z是定 子槽数;NP是永磁磁极的周期数，等于永磁磁极极数除以定子槽数和永磁磁极极数的最大 公约数。
[0013] 与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0014] (1)本发明中，转子还设置有一个软铁磁极，设置于相邻两个永磁磁极之间，软且 铁磁极和永磁磁极沿圆周等间距分布，导致永磁磁极的分布不均匀，可以抑制原齿槽转矩 中谐波，而达到降低齿槽转矩的效果，同时由于软铁磁极磁导率比空气要大，运行时不会造 成周向气隙磁密的不均匀，引入较少的新谐波；
[0015] (2)本发明中，软铁磁极的密度和永磁磁极的密度相同，在一定程度上使转子达到 质量均匀分布，从而使离心惯性力相互抵销，避免了高转速情况下产生较大的不平衡离心 力，与传统偏极电机相比，在转子动平衡上有着进一步优化作用，一定程度上延长了电机的 使用寿命
【附图说明】
[0016] 图1是本发明的结构示意图。
[0017] 附图标记:1定子;2转子;3永磁磁极;4软铁磁极;5电枢齿槽。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0019] 本发明的一种表贴式永磁同步电机，包括定子1和转子2,所述定子1设置有电枢齿 槽5，所述转子2沿圆周设置有偶数个永磁磁极3，所述转子2还设置有一个软铁磁极4，所述 软铁磁极4设置于相邻两个永磁磁极3之间，所述软铁磁极4和永磁磁极3沿圆周等间距分 布，所述软铁磁极4的密度和永磁磁极3的密度相同。
[0020] 由齿槽转矩的定义可知，齿槽转矩是永磁电机在不通电情况下，由于永磁磁极3和 电枢齿槽5之间相互作用力的切向分量所引起的。从数学表达式上看，齿槽转矩是在不通电 情况下电机的磁场能量W对定转子相对位置角α的负导数，即
[0021]
(1)
[0022] 电机的磁场能量主要存在于电机气隙和永磁磁极中，可近似为二者存在的磁场能 之和，表示为
[0023]
(2)
[0024] 式中：Β为气隙磁通密度;μ〇为磁导率;V为气隙的体积。因为永磁磁极3为表贴式， 所以其气隙磁通密度沿电枢周向分布又可近似表示为
[0025]
(3)
[0026] 式中:hm( Θ)表示永磁磁极沿充磁方向长度在周向上的分布;δ(θ，α)表示有效气隙 长度在周向上分布;Βγ(Θ)表示永磁磁极剩磁周向分布。因此，由式(2)和式(3)可得
[0027]
(4)
[0028] 由于气隙体积为环形，所以对其进行积分应采用柱面积分，之后相减的方法。积分 计算后式(4)变为
[0029] ㈧
[0030] 式中：La为转子铁心轴向长度。当永磁同步电机为内转子结构时，Du为定子内径， D2为转子外径;当永磁同步电机为外转子结构时，Du为定子外径，D 2为转子内径。
[0031] 对式(5)进行傅里叶分解展开可得
[0032] ((|
[0033] (7)
[0034] 式中：z为定子槽数;p为永磁磁极对数;Bro、Go分别为式(6)和式(7)中左式进行傅 里叶分解所得的对应恒定分量;Brn、Gn*别表示两式傅里叶分解所得的对应η次谐波系数。 [0035]根据数学定理，当任意整数m辛η时有
[0036]
(:8)
[0037] 因此，将式(6)和式(7)代入式(5)后并对α求导最终可得到在不考虑电机斜槽时的 齿槽转矩表达式为
[0038]
後)：
[0039] 由式(9)可以看出想要削弱齿槽转矩需要改变式(9)中的sin(naz)，通过使其各次 谐波分量削弱或者使其相消从而达到削弱齿槽转矩的目的。本文采用的"软铁磁极"的方法 使永磁磁极3的分布不均匀，可以抑制原齿槽转矩中谐波，而达到降低齿槽转矩的效果。由 于永磁磁极3的分布不均匀，从而影响了气隙磁通密度的周向分布。因此，对Br的傅里叶分 解展开式变为
[0040]
(10)
[0041 ]结合式(4)、式(6)和式(9)，齿槽转矩的表达式可表不为
[0044] (丨2) (11)
[0042]
[0043]式中Branz、Brbnz为傅里叶分解系数，其数学分析式又可表示为
[0046] 式中Δ 0m为本发明中第m个永磁磁极相对于磁极均匀分布所偏移角度。[0047]当Δ 0m取值为
[0045] (13)
[0048]
(14)
[0049]时，可以抑制原齿槽转矩中η为2?化倍数之外的谐波次数具为永磁磁极的周期数， 其值等于永磁磁极极数除以定子槽数和永磁磁极极数的最大公约数。
[0050] 而采用"软铁磁极"结构时，永磁磁极对应磁极偏移角度与永磁磁极对应角度03及 软铁磁极对应角度9b有关，其关系式为
[0051]
(I5)
[0052] 该式是通过相同极数永磁磁极均布结构气隙角度θδ与本发明的偏极结构气隙角 度θδ'相减所得，即
[0053] (丨()>
[0054] I )
[0055] 结合式（11)~式（15)，最终可以得出软铁磁极宽度对应角度与永磁磁极宽度对应 角度的关系式及其宽度关系式分别为
[0056] (丄8)
[0057] (19)
[0058] 式中bi是永磁磁极宽度;b2是软铁磁极宽度。当永磁同步电机为内转子结构时，D2 为转子外径;当永磁同步电机为外转子结构时，D2为转子内径。
[0059] 根据永磁磁极宽度和电机体积限制等因素最终可得最佳的软铁磁极宽度及其所 对应角度。采用该计算所得宽度或角度来设计软铁磁极，对电机齿槽转矩的削弱效果最为 突出。
[0060] 实施例一
[0061]如图1所示，本发明的表贴式永磁同步电动机设置为内转子结构，转子外圆周等间 距设置有八个永磁磁极和一个软铁磁极，定子设置有24个电枢齿槽，相数设置为3，永磁磁 极宽度设置为11mm，软铁磁极宽度设置为3mm，当m=2时，永磁磁极偏移角度△0m = 2V8/24 =1.875°，也就是说，和永磁磁极均布的电机做比较，由于加入软铁磁极会使得永磁磁极产 生偏移，假设两种电机第一块永磁磁极位置相同，当第二块永磁磁极的偏移角度为1.875° 时，2pN P = 8,可消除原齿槽转矩中8倍谐波的谐波次数，从而可以降低齿槽转矩。
[0062]尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于 上述的具体功能和工作过程，上述【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域 的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况 下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
【主权项】
1. 一种表贴式永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子设置有电枢齿槽，所述转子沿 圆周设置有偶数个永磁磁极，其特征在于，所述转子还设置有一个软铁磁极，所述软铁磁极 设置于相邻两个永磁磁极之间，所述软铁磁极和永磁磁极沿圆周等间距分布，所述软铁磁 极的密度和永磁磁极的密度相同。2. 根据权利要求1所述的一种表贴式永磁同步电机，其特征在于，所述软铁磁极的宽度 按以下公式一进行设置，其中，bi是永磁磁极宽度;b2是软铁磁极宽度;93是软铁磁极对应角度;是永磁磁极对 应角度;P是永磁磁极极对数;z是定子槽数;Np是永磁磁极的周期数，等于永磁磁极极数除 以定子槽数和永磁磁极极数的最大公约数;D 2是内转子电机的转子外径或外转子电机的转 子内径。3. 根据权利要求1所述的一种表贴式永磁同步电机，其特征在于，所述软铁磁极的对应 角度按以下公式二进行设置其中，Qa是永磁磁极对应角度;0b是软铁磁极对应角度;P是永磁磁极极对数;Z是定子槽 数;NP是永磁磁极的周期数，等于永磁磁极极数除以定子槽数和永磁磁极极数的最大公约 数。
【文档编号】H02K1/27GK105896774SQ201610370919
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】王晓远, 陈博, 谢宇, 王谊, 齐丹丹
【申请人】天津大学