一种低转矩脉动的永磁磁阻电机转子

1.本发明属于永磁磁阻电机技术领域，更具体地，涉及一种低转矩脉动的永磁磁阻电机转子。


背景技术：

2.永磁电机具有高功率密度和高效率等优点，其发展和永磁体材料的发展息息相关，具有高磁能积的钕铁硼永磁体的问世推动了永磁电机的快速发展，但与此同时也带来了成本和永磁材料供应的问题，高性能永磁体中含有稀土元素，而稀土价格近年来波动明显，并且由于地缘政治等因素，稀土的供应链不够稳定，因此永磁电机未来将向着无稀土或少稀土的方向发展，与此同时保证电机具有较高的功率密度。
3.永磁磁阻电机的转矩中包含永磁转矩和磁阻转矩两种组分，相较于永磁电机，永磁磁阻电机通过多层磁障的设计，提升了磁阻转矩占比，可减少永磁体的用量。由于转子结构的复杂性，永磁磁阻电机的主要缺点是其转矩脉动较大，电机振动噪声较大。
4.在先前的研究中，关于永磁磁阻电机转矩脉动降低的主要手段包括：1.转子斜极，该方法已被普遍采用，但会牺牲一定的输出转矩，使电机转矩密度降低；2.转子磁障几何参数的设计和优化，但永磁磁阻电机的转子结构复杂，优化参数众多，使得优化难度较大，耗时较长；3.改变槽极配合及磁障层数，但通过研究发现转矩脉动的抑制效果并不明显。因此，永磁磁阻电机的转矩脉动问题，有待进一步研究。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种低转矩脉动的永磁磁阻电机转子，旨在提高转矩脉动的抑制效果和降低设计优化耗时。
6.为实现上述目的，本发明提出了一种降低永磁磁阻电机转矩脉动的转子，利用磁路等效模型，简单快速选择转子磁障尾角，采用转子冲片镜像组合的方式，降低主要次谐波的幅值，进而降低电机转矩脉动。所述转子有p对磁极，每个磁极下有n层永磁体和磁障，各永磁体嵌在各层磁障的中心位置，所述转子的冲片为非对称结构，由同一冲片形成的n1个第一叠片和n2个第二叠片组合而成，将每极下永磁体中心对称轴线定义为q轴，所述第一叠片的每个磁极下的永磁体两侧的磁障关于q轴非对称，第二叠片和第一叠片的永磁体两侧磁障形状关于q轴镜像对称。每个磁极下有n层磁障与永磁体，永磁体关于q轴轴对称，永磁体两侧磁障尾端偏离q轴的角度不同，其中最外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，最内层磁障q轴两侧角度分别为θn和θn'，其中，δθ1＝|θ1′‑
θ1|，δθn＝|θn′‑
θn|，建立永磁磁阻电机的等效磁路模型得到电机转矩性能与磁障尾端角度的关系，从而得到第一叠片的角度组合θ1，θ2，
···
θn，θ1'，θ2'
···
θn'。
7.以一台双层磁障永磁磁阻电机为例，假设外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，忽略定子开槽，假设线性模型，则基于永磁磁阻电机的等效磁路模型可得到转矩的表达式为：
[0008][0009]
其中，其中，
[0010]
d为转子外径，l
stk
为电机叠长，g为气隙长度，p为转子极对数，k
ν
为ν次线电流密度幅值，为磁障等效的宽度和长度的比值，αi为电流相位角，hc为永磁体矫顽力，lm为永磁体长度；
[0011]
基于理论模型得到电机转矩性能与磁障尾端角度的关系，通过优化得到角度组合θ1，θ2，θ1'和θ2'，使得第一叠片和第二叠片主要次谐波相位相反，n1和n2的比值等于第一叠片和第二叠片的主要次谐波幅值的比值的反比，组合后的结构转矩脉动显著降低。
[0012]
本发明还提供了一台三层磁障永磁磁阻电机，假设外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，中间磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ3和θ3'，忽略定子开槽，假设线性模型，则基于永磁磁阻电机的等效磁路模型可得到转矩的表达式为：
[0013]
[0014]
基于该理论模型可得各次谐波转矩的幅值和相位与磁障角度的关系，通过优化得到角度组合θ1，θ2，θ3，θ1'，θ2'和θ3'，使得第一叠片和第二叠片主要次谐波相位相反，n1和n2的比值等于第一叠片和第二叠片的主要次谐波幅值的比值的反比。
[0015]
考虑定子开槽，通过仿真分析得到与上述类似的结论，即将非对称磁障转子叠片和其镜像对称结构组合可降低转矩主要次谐波幅值从而降低转矩脉动。n1和n2的比值等于通过等效磁路模型得到的第一叠片和第二叠片的主要次谐波幅值的比值的反比。
[0016]
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，提出了永磁磁阻电机的理论模型并在此基础上选取磁障尾端角度，通过镜像对称结构的组合降低特定次数的转矩谐波，能够提高转子结构设计与优化速度，在永磁体用量不变的前体下使得永磁磁阻电机转矩脉动显著降低，使得永磁磁阻电机在更多应用场合具有更大的竞争力和有望成为永磁电机的较低成本的替代方案。
附图说明
[0017]
图1是本技术一实施例中非对称磁障永磁磁阻电机定转子结构示意图；
[0018]
图2是本技术一实施例中非对称磁障结构和其镜像对称结构的18次转矩谐波波形对比；
[0019]
图3是本技术一实施例中由非对称磁障叠片和水平翻转后的叠片组合而成的四分之一转子结构示意图；
[0020]
图4是本技术一实施例中不同结构永磁磁阻电机转矩波形对比。
具体实施方式
[0021]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
[0022]
本发明提出了一种降低永磁磁阻电机转矩脉动的转子，利用磁路等效模型，简单快速选择转子磁障尾角，采用转子冲片镜像组合的方式，降低主要次谐波的幅值，进而降低电机转矩脉动。所述转子含若干磁极，转子的冲片对应每个磁极开有多组孔槽，所述孔槽为磁障，磁障中间位置嵌有永磁体，所述转子的冲片为非对称结构，非对称结构包括同一冲片形成的n1个第一叠片和n2个第二叠片，所述第一叠片的每个磁极的磁障关于磁极轴线非对称和磁极轴线的延长线相交于一点，第二叠片和第一叠片的单极下磁障形状关于q轴镜像对称，每个磁极下有n层磁障与永磁体，永磁体关于q轴轴对称，永磁体两侧磁障尾端偏离q轴的角度不同，其中最外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，最内层磁障q轴两侧角度分别为θn和θn'，其中，δθ1＝|θ1′‑
θ1|，δθn＝|θn′‑
θn|，建立永磁磁阻电机的等效磁路模型得到电机转矩性能与磁障尾端角度的关系，从而得到第一叠片的角度组合θ1，θ2，
···
θn，θ1′
，θ2′
···
θn′
。
[0023]
对于双层磁障永磁磁阻电机，每个磁极下的磁障包括外侧磁障和内侧磁障，外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，其中，δθ1＝|θ1′‑
θ1|，δθ2＝|θ2′‑
θ2|。对于三层磁障永磁磁阻电机，每个磁极下有外侧磁障、中间磁障和内
侧磁障，外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，中间磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ3和θ3'，δθ1＝|θ1′‑
θ1|，δθ2＝|θ2′‑
θ2|，δθ3＝|θ3′‑
θ3|。
[0024]
以一台三层磁障永磁磁阻电机为例，假设外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，中间磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ3和θ3'，忽略定子开槽，假设线性模型，则基于永磁磁阻电机的等效磁路模型可得到转矩的表达式为：
[0025][0026]
一台永磁磁阻电机的主要参数如表1所示，永磁体材料采用y30铁氧体，结构示意图如图1所示。忽略定子开槽，定子相电流幅值为6.89a，当磁障对称，外层、中间和内层磁障两侧尾端与q轴的夹角θ1，θ2和θ3分别为18、28和38度时，电机平均转矩理论值为41.0nm，转矩脉动理论值为29.8％，将磁障尾端与q轴夹角作为变量进行参数扫描，得到当θ1，θ2，θ3，θ1'，θ2'和θ3'分别为12，22，36，17，28和38度时，平均转矩理论值为40.1nm，转矩脉动理论值为22.9％，将转子叠片水平翻转180度后，θ1，θ2，θ3，θ1'，θ2'和θ3'分别为17，28，38，12，22和36度，其他参数不变，得到电机的平均转矩理论值为39.7nm，转矩脉动理论值为38.0％，其18次转矩谐波波形与翻转前结构对比如图2所示。将两种叠片以一定的比例组合，保持总叠长不变，如图3所示，得到平均转矩为39.9nm，转矩脉动为16.0％，与对称磁障方案相比，转矩脉动降低了约46％，得到的有限元仿真与理论结果对比如表2所示。对称磁障转子结构、两种非对称磁障转子结构和组合结构对应的转矩波形对比如图4所示。本发明可应用于不同磁障层数和磁障形状的永磁磁阻电机，可有效降低永磁磁阻电机转矩脉动。
[0027]
表1电机主要参数
[0028]
参数名称数值定子外径de/mm155叠长l
stk
/mm105定子内径d
si
/mm98定子槽数qs36极对数p2
气隙长度g/mm0.3外层永磁体宽度l
m1
/mm11.3中间永磁体宽度l
m2
/mm11.3内层永磁体宽度l
m3
/mm11.3
[0029]
表2有限元仿真与理论结果对比
[0030][0031]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种降低永磁磁阻电机转矩脉动的转子，所述转子有p对磁极，每个磁极下有n层永磁体和磁障，各永磁体嵌在各层磁障的中心位置，所述转子的冲片为非对称结构，由同一冲片形成的n1个第一叠片和n2个第二叠片组合而成，将每极下永磁体中心对称轴线定义为q轴，所述第一叠片的每个磁极下的永磁体两侧的磁障关于q轴非对称，第二叠片和第一叠片的永磁体两侧磁障形状关于q轴镜像对称，其特征在于，每个磁极下有两层磁障与永磁体，永磁体关于q轴轴对称，永磁体两侧磁障尾端偏离q轴的角度不同，其中外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，其中，δθ1＝|θ1′‑
θ1|，δθ2＝|θ2′‑
θ2|，建立永磁磁阻电机的等效磁路模型得到电机转矩性能与磁障尾端角度的关系，从而得到第一叠片的角度组合θ1，θ2，θ1'和θ2'。2.根据权利要求1所述的降低永磁磁阻电机转矩脉动的转子，其特征在于，建立永磁磁阻电机的等效磁路模型如下：阻电机的等效磁路模型如下：其中，其中，其中，d为转子外径，l
stk
为电机叠长，g为气隙长度，p为转子极对数，k
ν
为ν次线电流密度幅值，为磁障等效的宽度和长度的比值，α
i
为电流相位角，h
c
为永磁体矫顽力，l
m
为永磁体长度；基于理论模型得到电机转矩性能与磁障尾端角度的关系，通过优化得到第一叠片的角度组合θ1，θ2，θ1'和θ2'。3.根据权利要求2所述的降低永磁磁阻电机转矩脉动的转子，其特征在于，第二叠片与第一叠片关于q轴镜像对称，两种叠片主要次谐波相位相反，根据主要次谐波幅值的反比确定n1和n2的比值，得到平均转矩较大而转矩脉动降低的组合转子结构。4.一种降低永磁磁阻电机转矩脉动的转子，所述转子有p对磁极，每个磁极下有n层永磁体和磁障，各永磁体嵌在各层磁障的中心位置，所述转子的冲片为非对称结构，由同一冲片形成的n1个第一叠片和n2个第二叠片组合而成，将每极下永磁体中心对称轴线定义为q轴，所述第一叠片的每个磁极下的永磁体两侧的磁障关于q轴非对称，第二叠片和第一叠片的永磁体两侧磁障形状关于q轴镜像对称，其特征在于，每个磁极下有三层永磁体和磁障，
永磁体关于q轴轴对称，永磁体两侧磁障尾端偏离q轴的角度不同，外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，中间磁障q轴两侧角度分别为θ2和θ2'，内层磁障q轴两侧角度分别为θ3和θ3'，δθ1＝|θ1′‑
θ1|，δθ2＝|θ2′‑
θ2|，δθ3＝|θ3′‑
θ3|，建立永磁磁阻电机的等效磁路模型得到电机转矩性能与磁障尾端角度的关系，从而得到第一叠片的角度组合θ1，θ2，θ3，θ1'，θ2'和θ3'。5.根据权利要求4所述的降低永磁磁阻电机转矩脉动的转子，其特征在于，建立永磁磁阻电机的等效磁路模型如下：其中，其中，其中，基于理论模型得到电机转矩性能与磁障尾端角度的关系，通过优化得到第一叠片角度组合θ1，θ2，θ3，θ1'，θ2'和θ3'。6.根据权利要求5所述的降低永磁磁阻电机转矩脉动的转子，其特征在于，第二叠片与第一叠片关于q轴镜像对称，两种叠片主要次谐波相位相反，根据主要次谐波幅值的反比确定n1和n2的比值，得到平均转矩较大而转矩脉动降低的组合转子结构。7.一种降低永磁磁阻电机转矩脉动的转子，所述转子有p对磁极，每个磁极下有n层永磁体和磁障，各永磁体嵌在各层磁障的中心位置，所述转子的冲片为非对称结构，由同一冲片形成的n1个第一叠片和n2个第二叠片组合而成，将每极下永磁体中心对称轴线定义为q轴，所述第一叠片的每个磁极下的永磁体两侧的磁障关于q轴非对称，第二叠片和第一叠片的永磁体两侧磁障形状关于q轴镜像对称，其特征在于，每个磁极下有n层磁障与永磁体，永
磁体关于q轴轴对称，永磁体两侧磁障尾端偏离q轴的角度不同，其中最外层磁障q轴两侧角度分别为θ1和θ1'，最内层磁障q轴两侧角度分别为θ
n
和θ
n
'，其中，δθ1＝|θ1′‑
θ1|，δθ
n
＝|θ
n
′‑
θ
n
|，建立永磁磁阻电机的等效磁路模型得到电机转矩性能与磁障尾端角度的关系，从而得到第一叠片的角度组合θ1，θ2，
···
θ
n
，θ1'，θ2'
···
θ
n
'。

技术总结
本发明公开了一种低转矩脉动的永磁磁阻电机转子，属于永磁磁阻电机技术领域。转子为同一冲片形成的第一叠片和第二叠片组合而成，每极下有多层磁障和永磁体，对于第一叠片，转子在q轴一侧的各层磁障尾端相对于另一侧分别偏移一定的角度；通过将第一叠片水平翻转180度，得到第二叠片，其单极下磁障形状与第一叠片相比关于q轴镜像对称，两种叠片相同次数的转矩谐波幅值与相位不同，以一定的比例叠加组合可使得永磁磁阻电机具有较大平均转矩的同时降低转矩脉动。本发明可以实现特定次数转矩谐波的抑制，降低电机的转矩脉动。本发明对于提高永磁磁阻电机的性能及其拓展应用具有重要意义。要意义。要意义。


技术研发人员：王亚玮 李宣 李俊昊 包铭阳 曲荣海
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/8/1