一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法。结合永磁同步电机的实际尺寸、加工精度和安装条件，确定永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数；确定永磁同步电机的各段磁极的幅值改变系数和相位改变角度；根据永磁同步电机的加工范围，设置永磁同步电机的各段磁极的轴向长度与偏斜角度的约束条件；执行使齿槽转矩谐波分量总和最小的优化算法，确定最优的各段磁极的轴向长度和偏斜角度。本发明专利技术方法得到的非均匀人字形斜磁极结构，可在消除轴向不平衡磁拉力的同时，有效降低永磁同步电机的齿槽转矩和转矩波动，具有通用性强、速度快、计算量小、准确性高的优点。准确性高的优点。准确性高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法


[0001]本专利技术属于永磁同步电机
的一种结构设计方法，具体涉及一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电机具有高转矩密度、高控制精度、高效率以及良好的动态性能等优点，随着永磁材料性能的不断提升，被广泛应用于机器人、数控机床等工业领域。
[0003]由定子齿槽引起磁导变化所产生的齿槽转矩，是永磁同步电机固有的问题之一。对于高性能永磁同步电机来说，齿槽转矩引发电机振动、噪声及影响电机控制精度等问题，对位置伺服的精度和平稳性产生一定的影响，进而直接影响高性能永磁同步电机及工作系统的性能。因此，分析与抑制永磁同步伺服电机的齿槽转矩成为近年来诸多学者的研究目标，是制造过程中必须解决的关键问题。
[0004]转子分段斜磁极方法是抑制永磁同步电机的齿槽转矩的一种行之有效的方法。公开号为CN102684337A的中国专利所提出的传统分段斜磁极式永磁同步电机转子，能在一定程度上削弱电机的齿槽转矩，但转子轴向存在不平衡磁拉力。公开号为CN111478474A、CN111082567A的中国专利提出了一种人字形斜磁极结构，永磁体的在轴向上对称分布，消除不平衡磁拉力，但传统分段斜磁极相比，牺牲了对齿槽转矩的削弱效果。上述专利的转子长度和偏斜角度处理设置时，均假定电机中不存在分段磁极边端效应的影响，因此对电机实际运行中的齿槽转矩的削弱效果有限。

技术实现思路

[0005]针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法，将分段磁极边端效应导致各段磁极转矩的变化进行定量分析处理，并以此进行结构设计。本专利技术方法同时兼具理论基础、准确性与快速性。
[0006]本专利技术的技术方案针对永磁同步电机的非均匀人字形斜磁极结构，具体步骤为：1）结合永磁同步电机的实际尺寸、加工精度和安装条件，确定永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数；2）在步骤1）确定的分段数下，确定由磁极边端效应导致的永磁同步电机的每一段磁极的幅值改变系数和相位改变角度；3）根据永磁同步电机的加工范围，结合分段数、幅值改变系数和相位改变角度，设置永磁同步电机的各段磁极的轴向长度与偏斜角度的约束条件；4）在步骤3）得到的约束条件下，执行使齿槽转矩谐波分量总和最小的优化算法，确定最优的各段磁极的轴向长度和偏斜角度，以此制造永磁同步电机的磁极结构。最终使得永磁同步电机的磁极形成非均匀人字形斜磁极结构。
[0007]所述步骤1）中，永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数2τ结合永磁同步电机的实际尺寸、加工精度及安装条件确定。
[0008]所述步骤2）中，第i段磁极的幅值改变系数K
i
、相位改变角度β
i
通过3D解析法或3D有限元方法得到。
[0009]所述步骤3）具体为：设置永磁同步电机的各段磁极的轴向长度与偏斜角度为变量，根据永磁同步电机的加工范围，结合分段数、幅值改变系数和相位改变角度，使各段磁极的总齿槽转矩的基波幅值为0，确定各段磁极在转子轴向上的长度与各段磁极在转子周向上的偏斜角度的约束条件。
[0010]所述步骤3）中，设置各段磁极在转子轴向上的长度l1~l
2τ
和各段磁极在转子周向上偏斜角度θ1~θ
2τ
满足以下约束条件：l
min
≤l1, l2,
ꢀ…
, l
2τ
≤l
max
θ
min
≤θ1, θ2,
ꢀ…
, θ
2τ
≤θ
max
l1+l2+
…
+l
2τ
= l
total
l
i
=l
2τ
‑
i+1
θ
i
=θ
2τ
‑
i+1
{{∑
i=1
l
i
K
i
T
10
cos[N
L
(i
‑
1)(θ
i+
β
i
)]}2+{∑
i=1
l
i
K
i
T
10
sin[N
L
(i
‑
1)(θ
i+
β
i
)]}2}
1/2
= 0其中，l1~l
2τ
表示各段磁极在转子轴向上的长度，θ1~θ
2τ
表示各段磁极在转子周向上偏斜角度，l
i
表示第i段磁极在转子轴向上的长度，θ
i
表示第i段磁极在转子周向上偏斜角度；l
min
、l
max
分别为长度l1~l
2τ
的上、下限；θ
min
、θ
max
分别为长度θ1~θ
2τ
的上、下限；l
total
为永磁同步电机转子的轴向长度；T
10
为单位轴向长度永磁同步电机的齿槽转矩基波幅值；N
L
是电机的转子磁极数与电机定子中的槽数的最小公倍数；K
i
表示第i段磁极的幅值改变系数，β
i
表示第i段磁极的相位改变角度，i表示磁极序号，1≤i≤2τ，公式中i 从1累加到2τ，2τ表示永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数。
[0011]所述步骤4）具体为：根据齿槽转矩的第2~τ次谐波分量的幅值计算永磁同步电机的2~τ次齿槽转矩谐波分量总和，进而设置以下公式的目标函数：min T
cog
(α) = ∑
n=2
T
cogn
sin(nN
L
α+ψ
n
)其中，T
cog
(α)表示2~τ次齿槽转矩谐波分量总和；α是定转子相对位置角；N
L
是极数与槽数的最小公倍数；T
cogn
sin(nN
L
α+ψ
n
)表示n次齿槽转矩谐波分量；n表示谐波次数，2≤n≤τ，公式中n 从2累加到τ，T
cogn
表示n次转矩谐波的幅值，ψ
n
为n次转矩谐波的初相角；上述的n次转矩谐波的幅值T
cogn
和初相角ψ
n
具体按照以下公式获得：T
cogn = {{∑
i=1
l
i
K
i
T
n0
cos[N
L
(i
‑
1)(θ
i+
β
i
)]}2+{∑
i=1
l
i
K
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法，其特征在于，方法针对永磁同步电机的非均匀人字形斜磁极结构，方法的具体步骤为：1）结合永磁同步电机的实际尺寸、加工精度和安装条件，确定永磁同步电机的磁极在转子轴向上的分段数；2）在步骤1）确定的分段数下，确定永磁同步电机的每一段磁极的幅值改变系数和相位改变角度；3）根据永磁同步电机的加工范围，结合分段数、幅值改变系数和相位改变角度，设置永磁同步电机的各段磁极的轴向长度与偏斜角度的约束条件；4）在步骤3）得到的约束条件下，执行使齿槽转矩谐波分量总和最小的优化算法，确定最优的各段磁极的轴向长度和偏斜角度。2.根据权利要求1所述的一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法，其特征在于：所述步骤2）中，第i段磁极的幅值改变系数K
i
、相位改变角度β
i
通过3D解析法或3D有限元方法得到。3.根据权利要求1所述的一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法，其特征在于：所述步骤3）具体为：设置永磁同步电机的各段磁极的轴向长度与偏斜角度为变量，根据永磁同步电机的加工范围，结合分段数、幅值改变系数和相位改变角度，使各段磁极的总齿槽转矩的基波幅值为0，确定各段磁极在转子轴向上的长度与各段磁极在转子周向上的偏斜角度的约束条件。4.根据权利要求3所述的一种削弱齿槽转矩的永磁同步电机磁极结构设计方法，其特征在于：所述步骤3）中，设置各段磁极在转子轴向上的长度l1~l
2τ
和各段磁极在转子周向上偏斜角度θ1~θ
2τ
满足以下约束条件：l
min
≤l1, l2,
ꢀ…
, l
2τ
≤l
max
θ
min
≤θ1, θ2,
ꢀ…
, θ
2τ
≤θ
max
l1+l2+
…
+l
2τ
= l
total
l
i
=l
2τ
‑
i+1
θ
i
=θ
2τ
‑
i+1
{{∑
i=1
l
i
K
i
T
10
cos[N
L
(i
‑
1)(θ
i+
β
i
)]}2+{∑
i=1
l
i
K
i
T
10
sin[N
L
(i
‑
1)(θ
i+
β
i
)]}2}
1/2
= 0其中，l1~l
2τ
表示各段磁极在转子轴向上的长度，θ1~θ
2τ
表示各段磁极在转子周向上偏斜角度，l
i
表示第i段磁极在转子轴向上的长度，θ
i
表示第i段磁极在转子周向上偏斜角度；l
min
、l
max
分别为长度l1~l
2τ
的上、下限；θ
min
、θ
max
分别为长度θ1~θ
2τ
的上、下限；l
total
为永磁同步电机转子的轴向长度；T
10
为单位轴向长度永磁同步电机的齿槽转矩基波幅值；N
L
是电机的转子磁极数与电机定子中的槽数...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎彦，程译萩，颜冬，张振，史婷娜，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：