一种外转子永磁电机偏心永磁体参数优化设计方法

1.本发明涉及一种外转子永磁电机偏心永磁体参数优化设计方法，属于永磁无刷直流电机领域。


背景技术：

2.永磁无刷直流电机目前的应用领域很宽，其控制方式相较于传统电机较为简单，效率较高。涉及机械、自动化等领域，不同场合使用不同结构类型的无刷直流电机，这也就要求其需要有不同的性能与技术。但目前无刷直流电机的优化受制于永磁材料的加工技术。等厚永磁体的传统永磁无刷直流电机其气隙磁场的磁密正弦度较低，而且其谐波的畸变率较高，损耗高。而不等厚永磁体结构能够较好的调整这些参数，改善电机性能。
3.为了解决永磁直流电机中的转矩波动大、成本高、永磁体加工困难的问题，国内外研究机构都进行了大量的实验研究。现有的永磁直流电机永磁体大多是传统的等厚永磁体结构，这种结构的气隙磁密波形为平顶波与尖波居多，这类电机的谐波畸变率很大。此外，电机采用开槽的方式获得较好的气隙磁密波形和转矩，但是同时增加了电机的震动频率与幅度。分段偏心集成式偏心结构，气隙磁密波形为正弦波，但这种电机的缺点在于，永磁体的加工较为繁琐，对于转速较低的直流电机来说，电机的定、转子尺寸都很小，一旦定、转子之间产生一定的斜度，必然会对电机的其他参数造成重要影响，甚至会影响电机的使用安全性。
4.本发明优化了气隙磁密波形，提高齿槽转矩的密度，降低齿槽转矩，减少了电机的噪音与震动。


技术实现要素：

5.发明目的：由于现阶段的电机领域在永磁体的性能与加工方面的问题难以得到有效的解决，本发明提出了一种外转子永磁电机偏心永磁体参数优化设计方法，将永磁体进行了不等厚以及加负偏心距的设计，大幅度减少了电机的谐波畸变率，使得电机的气隙磁密曲线更为光滑，极大的提高了转矩密度，也提升了电机的寿命与效率。
6.技术方案：本发明公开一种外转子永磁电机偏心永磁体参数优化设计方法，所述外转子永磁电机包括镶嵌了内定子绕组的定子与相接了永磁体的外转子构成，所述定子包括内定子铁心以及镶嵌的内定子绕组，所述转子包括外转子铁心、定子轴，还包括偏心永磁体，所述定子位于偏心永磁体内侧，所述转子位于偏心永磁体外侧，所述内定子绕组嵌入在内定子铁心中，所述偏心永磁体粘接于外转子铁心内侧，所述偏心永磁体为两对结构相同的偏心永磁体，并且采用径向充磁方式，以n极s极交替环绕表贴于外转子铁心内圆周上；
7.所述偏心永磁体由a区域和b区域组成，a区域、b区域上弧与外转子铁心内弧相贴，b区域下弧是一段与上弧做偏心处理的弧段，其偏心距离为d；a区域的下弧由一条与b区域下弧相切的直线段构成，永磁体两侧由两个形状完全相同的弧形连接上下弧，形成一个光滑的曲面。
8.进一步地，所述偏心永磁体a区域上弧长β1与b区域上弧段β2的弧长相同，即
9.进一步地，记b区域的上圆弧的弧顶到下圆弧圆心o1的距离为r0，上圆弧的弧半径为r
ob
则上下弧的偏心距d＝r
ob-ro；圆心o到下圆弧的弧半径记作r
oa
；保证永磁体的最大永磁体厚度h
max
不变的情况下，再根据转子位置θ的变化确定永磁体对应位置的厚度，分以下步骤：
10.步骤1：对于a区域，通过不同的永磁体厚度关于转子位置θ，极弧系数α
p
取0.7～0.75时，可知θ在范围内取值，p为磁极对数，根据推导的几何关系得出永磁体厚度关于转子位置θ的函数：
[0011][0012]
步骤2：对于b区域，极弧系数α
p
取0.7～0.75时，可知θ在范围内取值，根据推导的几何关系得出永磁体厚度关于转子位置θ的函数：
[0013][0014]
其中，o1u代表的是下圆弧的弧心o1到u点的距离；ov是上圆弧的圆心o到v点的距离；当使用微元法进行切割时，设第k块部分对应的偏转角度θ，当对第k块部分进行切割时会与偏心永磁体2b区域的下弧、上弧分别交于w、z点，从w、z点向oo1引垂线，得到u、v两点；
[0015]
步骤3：通过数据扫描分析对比，获得最优极弧系数α
p
与偏心距d，进一步确定最终的永磁体厚度。
[0016]
进一步地，所述偏心永磁体采用钕铁硼材料，采用径向充磁方式。
[0017]
有益效果：
[0018]
本发明的关于永磁电机偏心永磁体参数优化设计方法，将永磁体进行了不等厚以及加负偏心距的设计，大幅度减少了电机的谐波畸变率，极大的提高了转矩密度，也使得电机的气隙磁密曲线更为正弦化，提升了电机的寿命与效率。
附图说明
[0019]
图1为本发明外转子永磁电机偏心永磁体的结构图；
[0020]
图2为本发明外转子永磁电机偏心永磁体的分域结构模型图；
[0021]
图3为本发明外转子永磁电机偏心永磁体的a区域结构模型图；
[0022]
图4为本发明外转子永磁电机偏心永磁体的a、b区域结构模型图；
[0023]
图5为本发明偏心永磁体外转子永磁电机与传统的等厚永磁体外转子永磁电机的气隙磁密波形对比图；
[0024]
图6为本发明偏心永磁体外转子永磁电机与传统的等厚永磁体外转子永磁电机的气隙磁密傅里叶分解对比图；
[0025]
图7为本发明偏心永磁体外转子永磁电机与传统的等厚永磁体外转子永磁电机的空载齿槽转矩波形对比图。
[0026]
图中：1-定子轴，2-偏心永磁体，3-内定子铁心，4-外转子铁心，5-气隙，6-内定子绕组。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0028]
参见图1-7，本发明公开了一种外转子永磁电机偏心永磁体参数优化设计方法，外转子永磁电机包括镶嵌了内定子绕组的定子与相接了永磁体的外转子构成，定子包括内定子铁心3以及镶嵌的内定子绕组6，转子包括外转子铁心4、定子轴1，还包括偏心永磁体2，定子位于偏心永磁体2内侧，转子位于偏心永磁体2外侧，内定子绕组6嵌入在内定子铁心3中，偏心永磁体2粘接于外转子铁心4内侧，偏心永磁体为两对结构相同的偏心永磁体，并且采用径向充磁方式，以n极s极交替环绕表贴于外转子铁心4内圆周上。
[0029]
偏心永磁体2由a区域和b区域组成，a区域、b区域上弧与外转子铁心内弧相贴，b区域下弧是一段与上弧做偏心处理的弧段，其偏心距离为d；a区域的下弧由一条与b区域下弧相切的直线段构成，永磁体两侧由两个形状完全相同的弧形连接上下弧，形成一个光滑的曲面。
[0030]
该设计的永磁体装配于一种外转子永磁电机，该电机如图1，其中定子内、外径设计为9mm、28mm，转子内、外径设计为29.55mm、38mm，定子槽口深度设计为1.5mm，定子槽口宽度设计为2.25mm。定子槽口位于绕组与内定子铁心交界处，参见图1，例如a+和b-，b+和c-上面的小凹槽。
[0031]
对偏心永磁体2采用钕铁硼材料，进行径向充磁。
[0032]
记b区域的上圆弧的弧顶到下圆弧圆心o1的距离为r0，上圆弧的弧半径为r
ob
则上下弧的偏心距d＝r
ob-ro。圆心o到下圆弧的弧半径记作r
oa
，转子位置θ、极弧系数α
p
，为了提高电机的性能，对偏心永磁体2的b区域上下弧做偏心设置。
[0033]
在设计偏心永磁体2时，延长b区域下弧，a区域直线部分所对应的下弧的弧度为β1，b区域上弧段β2。改变β2的弧度大小，对不同β1，β2下电机的性能进行分析，不同的下，电机气隙磁密波形的谐波数不同，波形也不同，通过数据扫描对比得出，当时，获得的电机性能较优。
[0034]
保证永磁体的最大永磁体厚度h
max
不变的情况下，通过不同的永磁体厚度关于转子位置θ，对于a区域，极弧系数α
p
取0.7～0.75时，可知θ在范围内取值。在具体推导偏心永磁体厚度时，先将b区域下弧两端延长，代替a区域下弧直线段部分，参见图3，与a区
域上弧部分构成规则的扇面，其次对规则的扇面进行微元分割，使其变成无数个规则的扇面，再对每个扇面进行数学几何关系推导，最后将转子位置θ带入推导所得的几何关系式中得到永磁体厚度关于转子位置θ的函数：
[0035][0036]
对于b区域，极弧系数α
p
取0.7～0.75时，可知θ在范围内取值。因为b区域是规则的扇面，直接进行微元分割，同上进行数学几何推导，最后将转子位置θ带入推导所得的几何关系式中可得到永磁体厚度关于转子位置θ的函数：
[0037][0038]
其中，o1u代表的是下圆弧的弧心o1到u点的距离；ov是上圆弧的圆心o到v点的距离；当使用微元法进行切割时，设第k块部分对应的偏转角度θ，当对第k块部分进行切割时会与偏心永磁体2b区域的下弧、上弧分别交于w、z点，从w、z点向oo1引垂线，得到u、v两点，参见图4。
[0039]
通过数据扫描分析对比，获得最优极弧系数与偏心距d，进一步确定最终的永磁体厚度。
[0040]
根据图5气隙磁密波形的对比可得，永磁体进行偏心设置降低了气隙磁密的谐波分量。
[0041]
根据图6气隙磁密傅里叶分析对比可得出，本发明降低了电机的基次谐波，有效的抑制了5、7、9次谐波的畸变。
[0042]
图7关于电机转矩波动的对比得出，对永磁体进行偏心设置，使得转矩脉动降低了46％，极大的降低了电机的齿槽转矩的波动，齿槽转矩波形正弦化。
[0043]
相比于传统的等厚永磁体外转子永磁电机，本发明偏心永磁体外转子永磁电机不仅综合了传统的等厚永磁永磁体外转子永磁电机的优点，同时还减少了电机气隙磁密中的谐波含量，极大地降低了电机的转矩脉动，降低电机噪音，提高电机性能。
[0044]
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种外转子永磁电机偏心永磁体参数优化设计方法，其特征在于，所述外转子永磁电机包括镶嵌了内定子绕组的定子与相接了永磁体的外转子构成，所述定子包括内定子铁心(3)以及镶嵌的内定子绕组(6)，所述转子包括外转子铁心(4)、定子轴(1)，还包括偏心永磁体(2)，所述定子位于偏心永磁体(2)内侧，所述转子位于偏心永磁体(2)外侧，所述内定子绕组(6)嵌入在内定子铁心(3)中，所述偏心永磁体(2)粘接于外转子铁心(4)内侧，所述偏心永磁体为两对结构相同的偏心永磁体，并且采用径向充磁方式，以n极s极交替环绕表贴于外转子铁心(4)内圆周上；所述偏心永磁体由a区域和b区域组成，a区域、b区域上弧与外转子铁心内弧相贴，b区域下弧是一段与上弧做偏心处理的弧段，其偏心距离为d；a区域的下弧由一条与b区域下弧相切的直线段构成，永磁体两侧由两个形状完全相同的弧形连接上下弧，形成一个光滑的曲面。2.根据权利要求1所述的外转子永磁电机偏心永磁体参数优化设计方法，其特征在于，所述偏心永磁体a区域上弧长β1与b区域上弧段β2的弧长相同，即3.根据权利要求1或2所述的一种外转子永磁电机偏心永磁体参数优化设计方法，其特征在于，记b区域的上圆弧的弧顶到下圆弧圆心o1的距离为r0，上圆弧的弧半径为r
ob
则上下弧的偏心距d＝|r
ob-r
o
|；圆心o到下圆弧的弧半径记作r
oa
；保证永磁体的最大永磁体厚度h
max
不变的情况下，再根据转子位置θ的变化确定永磁体对应位置的厚度，分以下步骤：步骤1：对于a区域，通过不同的永磁体厚度关于转子位置θ，极弧系数α
p
取0.7～0.75时，可知θ在范围内取值，p为磁极对数，根据推导的几何关系得出永磁体厚度关于转子位置θ的函数：步骤2：对于b区域，极弧系数α
p
取0.7～0.75时，可知θ在范围内取值，根据推导的几何关系得出永磁体厚度关于转子位置θ的函数：其中，o1u代表的是下圆弧的弧心o1到u点的距离；ov是上圆弧的圆心o到v点的距离；当使用微元法进行切割时，设第k块部分对应的偏转角度θ，当对第k块部分进行切割时会与偏心永磁体2b区域的下弧、上弧分别交于w、z点，从w、z点向oo1引垂线，得到u、v两点；步骤3：通过数据扫描分析对比，获得最优极弧系数α
p
与偏心距d，进一步确定最终的永磁体厚度。4.根据权利要求1所述的一种外转子永磁电机偏心永磁体参数优化设计方法，其特征在于，所述偏心永磁体(2)采用钕铁硼材料，采用径向充磁方式。

技术总结
本发明公开了一种外转子永磁电机偏心永磁体参数优化设计方法，外转子永磁电机包括：定子轴，偏心永磁体，内定子铁心，外转子铁心，内定子绕组，内定子绕组嵌入在内定子铁心中，偏心永磁体粘接于外转子铁心内侧，以N极S极交替排列。偏心永磁体的上弧是一段以外转子铁心内弧为轮廓的弧段；其下弧的中间部分是一段与上弧做偏心处理的弧段，两侧是与中间弧段相切的直线段，永磁体两侧由两个形状完全相同的弧形连接上下弧，形成一个光滑的曲面，再根据转子位置的变化确定永磁体对应位置的厚度。本发明解决了气隙磁密谐波畸变率过高而导致的转矩波动较大的问题，降低了电机运行中的噪音与震动。震动。震动。


技术研发人员：张慰聪 付声升 张涛 武莎莎 张晨 叶小婷 鲁庆 莫丽红
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/15