一种三-三相分裂齿永磁游标电机设计方法

摘要

本发明公开了一种三‑三相分裂齿永磁游标电机设计方法，包括：由永磁体(2)和转子铁心组成的外转子，永磁体(2)同时采用轴向和圆周向分段式设计，表贴于转子铁心内侧，充磁方向为径向充磁且N极和S极交替排列；定子(4)采用裂齿式结构，齿间放置电枢绕组(3)。电枢绕组(3)采用三‑三相分数槽集中绕组方式。该电机的定子调制极采用多工作波设计，可以引入更多的工作磁导以及磁通密度谐波，从而提高电机的反电动势及输出转矩；永磁体(2)同时采用轴向和圆周向分段式设计，可以有效的减小永磁体涡流损耗，且便于安装制造；电枢绕组(3)采用三‑三相连接方式，可以增大电机的转矩输出并减小电机的转矩脉动，并且空间相数的增加可以使电机具有良好的容错运行潜力。

说明书

技术领域

本发明涉及到三-三相分裂齿永磁游标电机设计方法，属于电机设计领域。适用于对电机转矩能力以及可靠性要求较高的应用场合。如：电动汽车，风力发电等。

背景技术

永磁电机具有结构简单、效率高、运行稳定、高转矩密度等优点，近年来受到很多关注。在工业场合，为了实现低速大转矩运行，传统方法是将电动机与齿轮减速设备配套使用，这种方法不仅会增加整个系统的体积和重量，而且会带来噪声及效率降低，响应速度变慢等问题。基于“磁场调制原理”的永磁游标电机能提升永磁电机的转矩密度，在该类电机中，将转速较低的永磁磁场通过磁通调制极的调制作用在气隙中产生高速磁场，定子绕组按照高速旋转磁场来设计，从而实现电机低速大转矩运行。

中国专利申请号为201711308185.2的文献中提出了一种将新型磁齿轮符合于传统永磁电机上的拓扑结构，通过在外转子和定子上开槽、永磁体内置在内转子内的结构，实现降低转矩脉动的目的，减小电机运行过程中的振动与噪声，提高了复合电机的整体转矩密度和效率，但是，这种磁齿轮复合电机具有三层气隙结构与两个旋转部件，机械结构较为复杂，加大了电机加工制造难度。中国专利申请号为202110988212.5的文献中提出了一种低谐波双三相分数槽永磁同步电机设计方法，通过采用不同的绕组线圈匝数来消除次谐波，使得电机的永磁体涡流损耗、不平衡磁拉力以及转矩脉动有效减小，但是，这种绕组配置需要特定的槽极组合。

因此，如何基于磁场调制原理，在维持电机能够在相对较低转速下输出较高转矩和功率密度的同时，降低电机的转矩脉动并提高效率，这类研究是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术所存在的问题，提出一种高转矩密度、高功率密度、高效率、低转矩脉动的一种三-三相分裂齿永磁游标电机设计方法，以满足工业场合对电机能够在低速大转矩输出的同时提高效率以及降低转矩脉动的性能需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：在径向上由内向外依次是定子(4)，永磁体(2)，转子(1)，且定子与外转子间留有气隙；其中，定子(4)采用裂齿式结构，每个电枢齿分裂成两个调制齿(6)，电枢绕组(3)位于定子齿间，采用三-三相集中绕组，永磁体(2)同时采用轴向和圆周向分段式设计，表贴于转子铁心内侧，充磁方向为径向充磁且N极和S极交替排列；其中定子铁心和转子铁心采用硅钢片等导磁材料，永磁体(2)采用钕铁硼材料；根据调制极数N

本发明的方法的技术方案包括如下步骤：

步骤1：对定子齿(5)通过开槽分裂成两个调制齿(6)，保持调制齿间的节距角与开槽角不相等(α≠α

式中，F

步骤2：调整定子齿(5)的宽度、调制齿(6)的宽度和高度、定子轭部厚度、转子轭部厚度，使得电机磁场未达到饱和时电机反电势达到最大值；

步骤3：通过调整永磁体(2)结构参数，在电机未饱和时，利用有限元软件计算出电机反电势幅值最大时所对应的永磁体结构参数，永磁体结构参数主要有：永磁体极弧系数、永磁体厚度、永磁体分段数，永磁体结构参数优化时，保证槽口宽度、电枢绕组槽口宽度相同；

步骤4：确定绕组相移角，对三-三相三套绕组采用不同相移角度的转矩进行推导，以降低转矩脉动为目的，确定三套绕组之间的相移空间角为20°。

本发明采用上述设计方案后，可以具备如下有益效果：

1、本发明基于磁场调制原理，通过对调制齿结构进行设计，引入多工作波设计方法，使电枢绕组充分的吸收永磁磁场谐波，多工作波的设计方法有效提升电机输出转矩；

2、本发明的永磁体同时采用径向和圆周向分段，可以有效降低永磁体内的谐波涡流损耗，从而可以有效降低电机的温升，提高电机运行稳定性。通过合理的选择轴向和圆周向的分割数量，也有利于降低永磁体成本；

3、本发明采用三-三相集中绕组设计，每套绕组之间的相移角为20°，可以有效地减小电机转矩脉动，抑制电机运行时的噪声，并且空间相数的增加可以使电机具有良好的容错运行潜力。同时采用集中绕组可有效减小端部长度，降低电机的铜耗，也使绕线的复杂度有所削减，提高了加工的工艺性。

附图说明

图1是本发明的径向截面放大示意图；

图2为调制极尺寸示意图；

图3为永磁体分割示意图；

图4为电枢绕组结构示意图；(a)为电枢绕组的结构图；(b)为电枢绕组的安装与连接方式示意图；

图5为本发明设计的三-三相分裂齿永磁游标电机与传统永磁游标电机永磁体磁动势谐波频谱分布对比图；

图6为本发明设计的三-三相分裂齿永磁游标电机与传统永磁游标电机损耗对比图；

图7本发明设计的三-三相分裂齿永磁游标电机与传统永磁游标电机转矩波形对比图；

图中：1.转子；2.永磁体；3.电枢绕组；4.定子；5.定子齿；6.电枢齿；7.非导磁转轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和效果更加清晰明白，下面结合附图和具体的实施例子，对本发明电机的结构特点和有益效果进行详细描述。

如图1为一种三-三相外转子永磁游标电机，在径向上由内向外依次是定子(4)，永磁体(2)，转子(1)，且定子与外转子间留有气隙；其中，定子(4)采用裂齿式结构，每个电枢齿分裂成两个调制齿(6)，电枢绕组(3)位于定子齿间，采用三-三相集中绕组，永磁体(2)同时采用轴向和圆周向分段式设计，表贴于转子铁心内侧，充磁方向为径向充磁且N极和S极交替排列；其中定子铁心和转子铁心采用硅钢片等导磁材料，永磁体(2)采用钕铁硼材料；

对定子齿(5)通过开槽分裂成两个调制齿(6)，保持调制齿间的节距角与开槽角不相等(α≠α

式中，F

调整定子齿(5)的宽度、调制齿(6)的宽度和高度、定子轭部厚度、转子轭部厚度，使得电机磁场未达到饱和时电机反电势达到最大值；

通过调整永磁体(2)结构参数，在电机未饱和时，利用有限元软件仿真，确定电机反电势幅值最大时所对应的永磁体结构参数，永磁体结构参数主要有：永磁体极弧系数、永磁体厚度、永磁体分段数，永磁体结构参数优化时，保证槽口宽度、电枢绕组槽口宽度相同；

确定绕组相移角，对三-三相三套绕组采用不同相移角度的转矩进行推导，以降低转矩脉动为目的，确定三套绕组之间的相移空间角为20°。如图6为电机采用三-三相绕组后的绕组结构示意图；

当反电动势对称且无偶数次谐波时，每套绕组的反电动势表达式为：

其中，γ为第(k-1)绕组与第k套绕组电流间的相移角，h表示谐波次数，E

对于三套三相绕组来说，每一套绕组对称且绕组匝数相同，所通入的电流为理想正弦电流，有：

求解第一套绕组产生的转矩为：

确定三套绕组产生的总电磁转矩为：

其中，υ为转矩谐波阶数，T

对于三相电机通入理想正弦波电流而言，只有满足，h±1＝2ml(l＝1，2，3…)，h次反电动势谐波会产生转矩脉动。转矩谐波分量为6l，并且6次谐波是转矩谐波的最低阶数，谐波的振幅随谐波阶数的增加而减小。

为了消除6次谐波，取γ＝20°，此时转矩脉动可以实现最小化。且此时基波绕组系数获得最大值，可有效增加电机的转矩密度。

采取以上设计方案，可以引入更多的工作磁导以及磁通密度谐波，(图5)，明显提高电机的输出转矩并降低转矩脉动(图6)。此外，可以有效降低电机的损耗，提升电机效率(图7)。

综上所述，本发明公开一种三-三相分裂齿永磁游标电机设计方法。利用磁场调制原理，对电机的定子调制极采用多工作波设计，可以引入更多的工作磁导以及磁通密度谐波，从而提高电机的反电动势及输出转矩；对永磁体同时采用轴向和圆周向分段式设计，可以有效的减小永磁体涡流损耗，且便于安装制造；再对电机的结构参数进行合理优化，提高了磁场利用率，使得电机的性能得到充分发挥；对电枢绕组采用三-三相设计，可以增大电机的转矩输出并减小电机的转矩脉动，并且空间相数的增加可以使电机具有良好的容错运行潜力。综上本发明电机在具有传统永磁游标电机低速大转矩输出特点的同时，同时克服了永磁体涡流损耗大，电机转矩脉动大的缺点，即该电机具有高转矩密度、低脉动、高可靠性和高效率等特点。