利用非均匀定子槽抑制永磁同步电机齿槽转矩的方法

摘要

本发明公开了利用非均匀定子槽抑制永磁同步电机齿槽转矩的方法，在定子槽齿尺寸不变的情况下，定子槽中心位置在定子圆周方向旋转偏移。本发明提出的利用非均匀定子槽分布结构削弱永磁同步电机齿槽转矩，工艺简单，便于实现，无需增加额外的加工步骤；定子槽偏移角度与电机其他参数的耦合影响较小，可进行独立设计；且该方法在减小永磁同步电机齿槽转矩的同时，还能改善电机反电动势波形，降低电磁转矩波动，且避免了因为非均匀槽分布而导致三相绕组不对称现象，可有效提高电机的整体性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用非均匀定子槽抑制永磁同步电机齿槽转矩的方法，属 于永磁同步电机领域。

背景技术

永磁同步电机具有较高的效率、功率因数和转矩密度，因而被广泛工业生 产和日常生活的各个领域中。然而对于永磁同步电机，特别是低速直驱永磁同 步电机，齿槽转矩的存在会导致电机振动和噪声，严重影响系统控制精度与转 矩平稳性，因而成为电机设计和控制重点解决问题之一。

通过对齿槽转矩的产生机理进行研究，人们提出了多种削弱永磁电机齿槽 转矩的方法，如优化极槽配合、改变永磁体形状和充磁方式、辅助槽、斜槽、 斜极等等。这些方法均可以有效地抑制齿槽转矩，但也存在各自缺点。极槽配 合方法受电机极数和槽数限制应用场合有限；对转子磁极优化往往加工制造较 为困难、成本较高；而采用辅助槽方法往往使得定子齿部机械强度变弱，易导 致铁心饱和。目前，斜槽时较为常用的一种方法，但其对轴向长度较短的电机 不太适用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用非均匀定子槽抑制永磁同 步电机齿槽转矩的方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

利用非均匀定子槽抑制永磁同步电机齿槽转矩的方法，在定子槽齿尺寸不 变的情况下，定子槽中心位置在定子圆周方向旋转偏移，

偏移角度公式为，

${\mathrm{\Delta \alpha }}_i=(j-1)\times \frac{T_c}{Z}$

其中，

Δα_i为第i个定子槽位于第j个单元电机内的偏移角度；

$j-1\le \frac{i}{q}<j;$

i＝1、2、3、…、Q，且i为整数；

Q为定子槽数；

j＝1、2、3、…、Z，且j为整数；

Z为整个永磁同步电机包含的单元电机数；

T_c为定子槽均匀分布时齿槽转矩波动周期；

q为每个单元电机对应的槽数。

同一单元电机对应的定子槽偏移角度相同，不同单元电机对应的定子槽偏 移的角度不同，且偏移角度沿定子圆周方向等比例递增。

定子槽非均匀分布时的中心位置计算过程为，

A1)根据永磁同步电机极对数和槽数，计算单元电机数Z和单元电机对应 的槽数q；

整个永磁同步电机包含的单元电机数为，

Z＝GCD(p,Q)

其中，p为永磁同步电机极对数，GCD表示括号内两个变量的最大公约数；

每个单元电机对应的槽数为，

$q=\frac{Q}{Z};$

A2)计算永磁同步电机定子槽均匀分布时的中心位置角和齿槽转矩周期；

第i个定子槽均匀分布时的中心位置α′_i为，

${\alpha }_i^{\prime }=\left(i-\frac{3}{2}\right)\times \frac{2\pi }{Q}$

齿槽转矩波动周期为，

$T_c=\frac{2\pi }{LCM(2p,Q)};$

其中，LCM表示括号内两个变量的最小公倍数；

A3)计算单元电机定子槽偏移角度；

A4)确定每个定子槽非均匀分布时的中心位置角；

第i个定子槽非均匀分布时的中心位置α_i为，

α_i＝α′_i-Δα_i。

本发明所达到的有益效果：本发明提出的利用非均匀定子槽分布结构削弱 永磁同步电机齿槽转矩，工艺简单，便于实现，无需增加额外的加工步骤；定 子槽偏移角度与电机其他参数的耦合影响较小，可进行独立设计；且该方法在 减小永磁同步电机齿槽转矩的同时，还能改善电机反电动势波形，降低电磁转 矩波动，且避免了因为非均匀槽分布而导致三相绕组不对称线现象，可有效提 高电机的整体性能。

附图说明

图1为一台定子槽均匀分布的8极12槽永磁同步电机模型。

图2为一台定子槽非均匀分布的8极12槽永磁同步电机模型。

图3为一台8极12槽永磁同步电机定子槽均匀分布和定子槽非均匀分布两 种情况下的槽平面展开对比示意图。

图4为一台定子槽均匀分布的8极12槽永磁同步电机槽电动势星形图。

图5为一台定子槽非均匀分布的8极12槽永磁同步电机模型槽电动势星形 图。

图6为一台8极12槽永磁同步电机采用常规定子槽均匀分布结构和本发明 所提的定子槽非均匀分布结构时的齿槽转矩波形对比。

图7为一台8极12槽永磁同步电机采用常规定子槽均匀分布结构和本发明 所提的定子槽非均匀分布结构时的反电动势波形对比。

图8为一台8极12槽永磁同步电机采用常规定子槽均匀分布结构和本发明 所提的定子槽非均匀分布结构时的电磁转矩波形对比。

具体实施方式

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。

利用非均匀定子槽抑制永磁同步电机齿槽转矩的方法，在定子槽齿尺寸不 变的情况下，定子槽中心位置在定子圆周方向旋转偏移，

偏移角度公式为，

${\mathrm{\Delta \alpha }}_i=(j-1)\times \frac{T_c}{Z}$

其中，

Δα_i为第i个定子槽位于第j个单元电机内的偏移角度；

$j-1\le \frac{i}{q}<j;$

i＝1、2、3、…、Q，且i为整数；

Q为定子槽数；

j＝1、2、3、…、Z，且j为整数；

Z为整个永磁同步电机包含的单元电机数；

T_c为定子槽均匀分布时齿槽转矩波动周期；

q为每个单元电机对应的槽数。

定子槽非均匀分布时的中心位置计算过程为：

A1)根据永磁同步电机极对数和槽数，计算单元电机数Z和单元电机对应 的槽数q；

整个永磁同步电机包含的单元电机数为，

Z＝GCD(p,Q)

其中，p为永磁同步电机极对数，GCD表示括号内两个变量的最大公约数；

每个单元电机对应的槽数为，

$q=\frac{Q}{Z};$

A2)计算永磁同步电机定子槽均匀分布时的中心位置角和齿槽转矩周期；

第i个定子槽均匀分布时的中心位置α′_i为，

${\alpha }_i^{\prime }=\left(i-\frac{3}{2}\right)\times \frac{2\pi }{Q}$

齿槽转矩波动周期为，

$T_c=\frac{2\pi }{GCD(2p,Q)};$

其中，LCM表示括号内两个变量的最小公倍数；

A3)计算单元电机定子槽偏移角度；

A4)确定每个定子槽非均匀分布时的中心位置；

第i个定子槽非均匀分布时的中心位置α_i为，

α_i＝α′_i-Δα_i。

上述方法中，同一单元电机对应的定子槽偏移角度相同，不同单元电机对 应的定子槽偏移的角度不同，且偏移角度沿定子圆周方向等比例递增。

上述由于定子槽中心位置发生偏移，永磁同步电机的定子齿宽不再相同， 且绕组节距也不再相同，但反电动势依然保持三相对称，且绕组出现一定“分 布”效应，可有效削弱反电动势谐波。

为了进一步说明本发明，给出以下实例。

如图1和2所示，图中两种结构定子槽仅中心位置在圆周方向发生一定偏 移，其他参数均相同，具体参数如表1所示。

表1永磁同步电机主要参数

变量 数值 变量 数值 极数 8 槽数 12 额定电流 3A 额定频率 50Hz 电机轴长 100mm 气隙长度 0.5mm 定子外半径 50mm 剩余磁密 0.76T 定子内半径 25mm 相对磁导率 1.07 转子内径 11.5mm 槽口宽 2mm 永磁体厚度 3mm 槽深 15mm 极弧系数 0.9 每匝导体数 160 充磁方式 径向充磁 并联支路数 1

根据定子槽中心位置计算方法，获得两种结构的定子槽中心位置，具体如 表2所示(以角度形式表示)。

表2定子槽中心位置

如图3所示，将两种结构的定子槽分布沿圆周方向展开，可以发现非均匀 定子槽分布结构是在定子槽均匀分布结构的基础上以单元电机对应的定子槽为 单位依次偏移一定角度形成的，且偏移角度沿圆周方向等比例递增。

如图4和5所示，通过对比8极12槽永磁同步电机定子槽均匀分布结构和 非均匀分布结构的槽电动势星形图，可以发现定子槽非均匀分布结构中的三相 绕组中心位置A、B、C与定子槽均匀分布结构中的绕组中心位置A′、B′、C′ 相比发生的一定角度偏移，但仍然保持三相对称结构。此外，由于定子槽中心 位置发生偏移，产生了一定“分布”效应，使得集中绕组变成“分布绕组”，可 有效削弱反电动势谐波，改善反电动势波形和电磁转矩波形。

如图6所示，可以看出，通过采用本发明所提方法，齿槽转矩由0.46Nm降 低为0.01Nm有效抑制的永磁同步电机的齿槽转矩。如图7所示，可以看到，通 过采用本发明所提方法，电机的反电动势依然保持三相波形对称，且由于绕组 的“分布”效应，波形较定子槽均匀分布结构更加正弦。如图8所示，可以看 到，通过采用本发明所提方法，电机的电磁转矩出现略微下降，由13.12Nm降 低到11.39Nm，但电磁转矩波动由1.66Nm降低到0.70Nm，说明本发明所提出 的方法在抑制齿槽转矩波动的同时，对电磁转矩波动也有较好的抑制效果。

综上所述，本发明提出的利用非均匀定子槽分布结构削弱永磁同步电机齿 槽转矩，工艺简单，便于实现，无需增加额外的加工步骤；定子槽偏移角度与 电机其他参数的耦合影响较小，可进行独立设计；且该方法在减小永磁同步电 机齿槽转矩的同时，还能改善电机反电动势波形，降低电磁转矩波动，且避免 了因为非均匀槽分布而导致三相绕组不对称线现象，可有效提高电机的整体性 能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变 形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。