永磁容錯電機的諧波注削法
【技術領域】
[0001]本發明涉及到永磁容錯電機，特別是永磁容錯電機的諧波注削法，屬于新型電機制造的技術領域。
【背景技術】
[0002]現如今永磁電機已經得到了廣泛的應用，從汽車到航空航天的眾多領域，永磁電機都扮演著十分重要的角色。這主要得益于永磁電機的幾個顯著特點，包括高轉矩密度、高效率以及重量體積小等。永磁電機采用了高磁能積的磁性材料取代了傳統的勵磁繞組，不僅消除了勵磁繞組帶來的負面影響，而且簡化了電機的機械結構，使電機運行可靠性提高，機械損耗也相應的減小。
[0003]雖然永磁電機擁有一系列的優點，但對于要求苛刻的高性能應用，如電動轉向系統、伺服電機、風力發電機、電動汽車驅動系統等應用仍然面臨許多困難。這些應用對電機的安全可靠性提出了很高的要求，即在電機發生某些故障后，仍然能夠安全的運行，因此永磁容錯電機成為國內外研究的熱點。
[0004]永磁容錯電機除了具備永磁電機的特點外(體積小、功率密度高、效率高等)，其特殊之處還在于:
[0005](1)物理隔離:采用集中繞組，并且每個齒上只繞制一相繞組，這樣就使得各相繞組之間不存在物理上的接觸，避免了相間短路故障；
[0006](2)磁隔離:定子齒采用極靴結構，每相繞組都是隔齒繞制，所以電機中的磁力線都是在一相之中單獨形成回路，避免各相之間的磁場出現相互耦合的情況；得益于這種結構，在一相發生短路時，不會影響到其他相的正常工作；
[0007](3)熱隔離:每個槽都只有單獨的一相繞組，各相繞組之間沒有直接的接觸；所以當一相繞組發生短路時產生的熱量，很少或者不會傳遞到其他相，影響到其他相的絕緣性。
[0008](4)電氣隔離:每相繞組都采用獨立的橋電路供電；當一相電路發生故障時，不會影響到其他相的電路供電，實現了電氣上的隔離。
[0009]隨著永磁材料性能的不斷提高，永磁容錯電機越來越廣泛的應用于高性能的速度和位置控制系統。這些應用除了需要電機具備安全性和帶故障運行能力外，在電機的工作穩定性、噪聲和震動方面也提出了更高的要求。所以研究削減齒槽轉矩和輸出轉矩脈動是非常具有價值的。對于減小轉矩脈動，國內外都有比較深入的研究，如優化極弧系數、在轉子或轉子槽表面開孔、轉子靜態偏心等方法，都可以獲得更加正弦的氣隙磁密，來減小轉矩脈動。然而，這些方法都有一個缺點，就是電機的平均轉矩會隨著轉矩脈動的減小而下降，也就是說轉矩脈動和平均轉矩是兩個相互掣肘的性能指標。所以，在減小轉矩脈動的同時，如何保持轉矩密度的性能不下降，也是需要重點研究的方向。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是在永磁容錯電機的基礎上，運用諧波注削法來減小電機的齒槽轉矩、優化反電勢以及減小輸出轉矩脈動，提升電機在穩定性、噪聲和震動方面的性能。其中，運用三次諧波注削的方法，能夠在減小轉矩脈動的情況下，保持平均轉矩基本不變。
[0011]本發明是采取以下的技術方案實現的:永磁容錯電機的諧波注削法，包括以下步驟:
[0012]步驟1，對目標電機的各項參數進行分析，參數包括目標電機單個極或齒的弧度、定子/轉子的內外徑和定子/轉子之間的空氣間隙長度；
[0013]步驟2，在分析總結電機特征的基礎上，選擇合適的諧波注削方法，確定諧波注削公式及公式中的各項參數；
[0014]步驟3，采用Excel軟件進行散點數據的采集，根據步驟2中所確定的的諧波注削公式，計算得到一組數量合適的散點數據；
[0015]步驟4，采用Auto CAD繪圖軟件，根據步驟3中得到的散點數據，繪制出電機定子或轉子的輪廓形狀；
[0016]步驟5，將步驟4中得到的輪廓形狀圖導入有限元軟件中，與原電機相結合，進行有限元分析，得到電機進行諧波注削后的各項性能參數。
[0017]進一步，步驟2中諧波注削法包括:正弦諧波注削、反余弦諧波注削、正弦加三次諧波注削和反余弦加三次諧波注削。
[0018]進一步，所述步驟2中的諧波注削公式為:
[0019]h ( Θ ) = k Δ h [sin (b θ ) +asin (3b Θ ) ] (I)
[0020]g ( Θ ) = k Δ g/[cos (b Θ )-acos (3b Θ ) ] (II)
[0021]其中Θ表示電機中定子或轉子所對應的機械角度；a表示注入的三次諧波幅值山是由單個極或齒所計算出的數值；k是隨a變化的一個值，作用是使電機的最小氣隙長度保持不變；A h表示鐵芯或永磁體進行注削的最大厚度；△ g表示電機的最小氣隙長度；公式(I)表示正弦加三次諧波注削法，當k = 1且a = 0時，公式反映的是正弦諧波注削法；公式(II)表示反余弦加三次諧波注削法，當k = 1且a = 0時，公式反映的是反余弦諧波注削法。
[0022]進一步，所述步驟3中散點數據的數量為101組。
[0023]進一步，所述步驟4中，將上述步驟3中的多組數據復制，然后在Auto CAD中輸入PLINE命令粘貼數據，得到單個極或齒的輪廓形狀，最后根據電機的結構在軟件中畫出完整的定子或轉子；繪圖完成后將文件保存為.dxf格式。
[0024]進一步，所述步驟5中，將上述步驟4得到的.dxf文件導入Ansoft Maxwell軟件中，得到諧波注削的電機結構模型，進行有限元仿真分析。
[0025]進一步，所述諧波注削法能夠以一種諧波注削方法單獨使用，或兩種諧波注削方法組合使用；用于表貼式永磁電機，或用于內嵌式永磁電機。
[0026]本發明的有益效果為:
[0027]1.本發明中的永磁容錯電機進行諧波注削后，能夠有效的減小齒槽轉矩、優化反電勢以及減小輸出轉矩脈動，使電機在穩定性、噪聲和震動方面的性能有明顯的提升。
[0028]2.本發明的三次諧波注削法，能夠在減小齒槽轉矩和輸出轉矩脈動的情況下，保持電機的平均轉矩基本不變，比較全面的提高電機的性能。
[0029]3.本發明的電機諧波注削中包含多種注削方法，能夠通過方法間的自由組合，使得電機性能提升的側重點不同。
[0030]4.本發明中的永磁容錯電機具備高轉矩密度、高效率和容錯性的特點，再運用諧波注削的方法，減小齒槽轉矩和轉矩脈動，使以上的優點相互結合，能夠獲得更加優異的電機性能。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發明的電機諧波注削法示意圖。
[0032]圖2為本發明spoke型永磁容錯電機(原電機)的結構示意圖。
[0033]圖3為本發明原電機和原電機諧波注削(實施例電機)的齒槽轉矩比較圖。
[0034]圖4為本發明原電機和實施例電機的反電動勢比較圖。
[0035]圖5為本發明原電機和實施例電機的反電動勢諧波分析圖。
[0036]圖6為本發明原電機和實施例電機的輸出轉矩比較圖。
[0037]圖7為本發明諧波注削流程圖。
[0038]圖中標號名稱:1.燕尾槽，2.外轉子，3.永磁體，4.電樞繞組，5.容錯齒，6.內定子。
【具體實施方式】
[0039]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
[0040]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0041]如圖2所示，五相spoke型永磁容錯電機包括同軸的內定子6和外轉子2 ;所述內定子6包括沿著電機圓周交替排列的電樞齒和容錯齒5以及繞在電樞齒的電樞繞組4，所述容錯齒5對各相繞組起到物理隔離的作用；所述外轉子2包括轉子鐵芯、永磁體3和燕尾槽1 ;所述轉子鐵芯外周設有燕尾槽1，轉子鐵芯分塊排布，所述永磁體3呈spoke狀沿圓周內嵌在分塊的轉子鐵芯中。
[0042]下面以五相spoke型永磁容錯電機為例，其方法步驟如圖7所示:
[0043]1)對目標電機的各項參數進行分析，便于確定諧波注削公式中各項參數的數值；所述步驟1)中必要的參數包括:電機單個極或齒的弧度、定轉子的內外徑和定轉子之間的空氣間隙長度。
[0044]2)在分析總結電機特征的基礎上，選擇合適的諧波注削方法，確定諧波注削公式及公式中的各項參數；
[0045]所述步驟2)中諧波注削法包括:正弦諧波注削、反余弦諧波注削、正弦加三次諧波注削和反余弦加三次諧波注削；
[0046]如圖1所示，本發明公開了電機諧波注削法，圖1(a)和圖1(b)分別可以用公式(I)和(II)來描述:
[0047]h ( Θ ) = k Δ h [sin (b θ ) +asin (3b Θ ) ] (I)
[0048]g ( Θ ) = k Δ g/[cos (b Θ )-acos (3b Θ ) ] (II)
[0049]其中Θ表示電機中定子或轉子所對應的機械角度；a表示注入的三次諧波幅值山是由單