一种永磁电机的定子磁障结构的制作方法

1.本发明涉及高性能永磁电机本体设计领域，尤其涉及一种永磁电机的定子磁障结构。


背景技术：

2.随着电机系统在航空航天、舰船推进、精密机器人等高端装备领域应用越来越广泛，对电机轻量化、高效率、强容错等性能提出了更高的要求。分数槽集中绕组结构能够很好地满足永磁电机在这些领域的应用需求。然而，分数槽集中绕组永磁电机丰富的磁动势及磁场谐波会产生很大的转子损耗，加之转子散热困难，致使电机过热，严重威胁永磁体的磁性能及绕组绝缘性能，从而影响永磁电机系统安全可靠运行。因此，开展分数槽集中绕组永磁电机电枢绕组磁动势及电枢反应磁场低谐波设计的研究，具有非常重要的理论和现实意义。
3.分数槽集中绕组永磁电机具有较高的槽满率，有助于进一步提高功率密度。此外，分数槽集中绕组结构还能提升永磁电机的弱磁能力和容错性能。但是，丰富的磁动势及磁场谐波会引起较大的转子涡流损耗，尤其是在高速永磁电机中，这个致命的缺点将会被放大，使其应用价值大打折扣。
4.目前，分数槽集中绕组永磁电机低谐波设计方法大多从改变绕组分布效应、多相绕组结构相移技术等方面开展研究。例如，一种在中国专利文献上公开的“低谐波的分数槽集中绕组设计方法”，其公告号cn110401273a，a相绕组在任一定子槽内的总导体数ni按求取；其他相绕组在任一定子槽内的总导体数根据该相滞后a相的电角度及a相绕组的总导体数获取；根据各相在任一定子槽内的总导体数，获取各相在任一定子槽内的线圈匝数，完成绕组设计。a相绕组由q个不同匝数线圈串联而成，a相绕组的1～q号线圈的匝数ni按求取。这些方法能够很好的抑制或消除了除绕组齿谐波外的磁动势谐波，但是对转子损耗的抑制效果较为有限。
5.绕组齿谐波幅值大、相对频率高且绕组因数与基波相同难以得到有效抑制，对永磁电机影响极大。目前对绕组齿谐波抑制的研究较少且效果均不理想。


技术实现要素：

6.本发明主要解决现有技术对转子损耗的抑制效果有限或对绕组齿谐波抑制有限的问题；提供一种永磁电机的定子磁障结构，在定子非绕组齿中加入磁障并且采用了不均匀气隙偏心磁极结构，在降低谐波的同时也达到减小转矩脉动、减小铁心损耗以及提高反电动势的正弦性的目的。
7.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种永磁电机的定子磁障结构，包括在定子铁芯轭部的非绕线齿中开设有安装槽，磁障填充在安装槽中。
8.在定子轭部适当的位置引入磁障，以增加1次电枢反应磁场谐波磁路磁阻，而基波
和其他高次谐波磁路磁阻基本不受影响。因此，该磁障结构在不牺牲其他电枢反应磁场谐波的情况下，有效地降低了1次电枢反应磁场谐波。
9.转子永磁体采用不均匀气隙偏心磁极结构。
10.追求永磁电机反电动势的正弦性和低转矩脉动。
11.作为优选，所述的磁障为t型磁障；磁障轴线与定子齿轴线重合，磁障的宽度小于定子齿宽，磁障外圆一侧比内圆一侧宽。便于在铁心中固定装备。
12.作为优选，所述的磁障宽度占齿宽20％～50％。对谐波的抑制及基波的提升效果最佳。
13.作为优选，所述的磁障均匀设置在定子铁芯的轭部。
14.作为优选，所述的不均匀气隙偏心磁极结构为将永磁体极弧域进行圆周区域分割，每段永磁体形状为径向瓦片型结构。
15.作为优选，第j段磁极与永磁体中线夹角θj为：其中，α
p
为永磁体极弧系数；p为电机极数；l为永磁体分段数；第j段磁极的外半径r
mj
为：其中，rj为偏心半径；h为偏心距；第j段磁极的内半径r
rj
为：其中，rr为转子铁心最大内径。
16.作为优选，不同时刻下第j段磁极中心位置角为：其中，ωr为转子角速度；αj为t＝0时刻的第j段磁极中心位置角。
17.作为优选，t＝0时刻的第j段磁极中心位置角αj和第j段磁极的极弧系数α
pj
表示为：
18.本发明的有益效果是：1.定子磁障通过在定子铁心非绕线齿中开槽，并加入低磁导率材料，改变定子铁芯结构，形成磁障，增大低次谐波的磁路磁阻，实现对低次谐波的抑制。
19.2.偏心磁极转子结构提高了反电动势的正弦性并且降低了转矩脉动。
附图说明
20.图1是本发明的定子磁障结构示意图。
21.图2是本发明的不均匀气隙偏心磁极结构示意图。
22.图3是本发明的铁心损耗对比图。
23.图4是本发明的电机的磁动势对比图。
24.图5是本发明的电机的磁力线图。
25.图中1.磁障。
具体实施方式
26.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
27.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明专利方案，下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明专利一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
28.需要说明的是，本发明专利的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施案例能够以除了这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排出其他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
29.实施例：本实施例的一种永磁电机的定子磁障结构，如图1所示，包括36槽的定子铁芯，三相定子绕组，表贴式永磁体转子结构。
30.通过在定子铁心上的非绕线齿中开槽，用磁导率较小的材料作为“t型”定子磁障1进行填充，从而减小1次谐波磁通。
31.定子磁障通过在定子铁心非绕线齿中开槽，并加入低磁导率材料，改变定子铁心结构，形成磁障1，增大低次谐波的磁路磁阻，实现对低次谐波的抑制。
32.磁障1轴线与定子齿轴线重合，宽度小于定子齿宽，磁障1定子外圆一侧比内圆一侧略宽便于在铁心中固定装备，因此为“t型”。当其宽度占齿宽20％～50％时，对谐波的抑制及基波的提升效果最佳。
33.该结构的特点是在定子轭部适当的位置引入磁障1，以增加1次电枢反应磁场谐波磁路磁阻，而基波和其他高次谐波磁路磁阻基本不受影响。因此，该磁障1结构在不牺牲其他电枢反应磁场谐波的情况下，有效地降低了1次电枢反应磁场谐波。
34.在加入磁障1的基础上，进而在转子结构上进行改进，为了追求永磁电机反电动势的正弦性和低转矩脉动，设计一种不均匀气隙结构表贴式永磁体，如图2所示。
35.基于微积分思想，将永磁体极弧域进行圆周区域分割，rj为偏心半径；h为偏心距；θj为第j段磁极与磁极中线的夹角，hm为永磁体的最大厚度。当分割段数足够多时，每小段永磁体形状就可以看作径向瓦片型结构。
36.第j段磁极与永磁体中线夹角θj为：其中，α
p
为永磁体极弧系数；p为电机极数；l为永磁体分段数。
37.根据三角形余弦定理求得第j段磁极的外半径r
mj
为：其中，rj为偏心半径；h为偏心距。
38.第j段磁极的内半径r
rj
为：其中，rr为转子铁心最大内径。
39.不同时刻下第j段磁极中心位置拜为：其中，ωr为转子角速度；αj为t＝0时刻的第j段磁极中心位置角。
40.t＝0时刻的第j段磁极中心位置角αj和第j段磁极的极弧系数α
pj
表示为：
41.36槽10极电机单层绕组定子磁障结构的磁力线如图5所示。本实施例的单层绕组磁障结构中1次、11次、13次谐波降低约50％，而对于双层绕组磁障结构，这些阶次的谐波几乎被消除。而5次电枢反应磁场基波基本保持不变。
42.磁障的引入使得定子轭部磁路极易饱和，不适用于电负荷较大的电机和负载较大的工况场合。定子磁障极大增加了永磁磁场路径磁阻，使得永磁磁场减小，电机输出转矩大幅降低。此外，偏心磁极转子结构提高了反电动势的正弦性并且降低了转矩脉动。
43.以一台200kw36槽10极永磁电机为例，利用ansoft maxwell 2d电机电磁场计算软件，分别对未添加磁障结构的永磁电机与内置磁障结构的永磁电机进行电磁仿真，得到的额定运行下的电机磁密云图、磁力曲线、电枢反应磁密谐波、电机电磁转矩以及电机铁心损耗对比图。
44.经仿真验证，本发明所展示的永磁电机的内置定子磁障结构方案，能够削弱1次、11次、13次谐波，转矩脉动降低，定子铁损减小了29.4％，转子铁损减小了31.5％，仿真图如图3、图4所示。
45.本实施例提出的一种永磁电机“t型”定子磁障结构与新型偏心磁极转子结构方案，旨在解决分数槽集中式绕组存在大量谐波与转矩脉动较大的问题。在定子轭部适当的
位置引入磁障，以增加1次电枢反应磁场谐波磁路磁阻，磁极结构采用不均匀气隙偏心式磁极结构。定子磁障通过在定子铁心非绕线齿中开槽，并加入低磁导率材料，改变定子铁心结构，形成磁障，增大低次谐波的磁路磁阻，实现对低次谐波的抑制。本实施例能够实现削弱低次谐波、提高反电动势的正弦性、减小转矩脉动和减小铁心损耗的目的。
46.应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。

技术特征：
1.一种永磁电机的定子磁障结构，其特征在于，包括在定子铁芯轭部的非绕线齿中开设有安装槽，磁障填充在安装槽中；转子永磁体采用不均匀气隙偏心磁极结构。2.根据权利要求1所述的一种永磁电机的定子磁障结构，其特征在于，所述的磁障为t型磁障；磁障轴线与定子齿轴线重合，磁障的宽度小于定子齿宽，磁障外圆一侧比内圆一侧宽。3.根据权利要求1或2所述的一种永磁电机的定子磁障结构，其特征在于，所述的磁障宽度占齿宽20％～50％。4.根据权利要求1或2所述的一种永磁电机的定子磁障结构，其特征在于，所述的磁障均匀设置在定子铁芯的轭部。5.根据权利要求1所述的一种永磁电机的定子磁障结构，其特征在于，所述的不均匀气隙偏心磁极结构为将永磁体极弧域进行圆周区域分割，每段永磁体形状为径向瓦片型结构。6.根据权利要求1或5所述的一种永磁电机的定子磁障结构，其特征在于，第j段磁极与永磁体中线夹角θ
j
为：其中，α
p
为永磁体极弧系数；p为电机极数；l为永磁体分段数；第j段磁极的外半径r
mj
为：其中，r
j
为偏心半径；h为偏心距；第j段磁极的内半径r
rj
为：其中，r
r
为转子铁心最大内径。7.根据权利要求6所述的一种永磁电机的定子磁障结构，其特征在于，不同时刻下第j段磁极中心位置角为：其中，ω
r
为转子角速度；α
j
为t＝0时刻的第j段磁极中心位置角。8.根据权利要求7所述的一种永磁电机的定子磁障结构，其特征在于，t＝0时刻的第j段磁极中心位置角α
j
和第j段磁极的极弧系数α
pj
表示为：

技术总结
本发明公开了一种永磁电机的定子磁障结构。为了克服现有技术对转子损耗的抑制效果有限或对绕组齿谐波抑制有限的问题；本发明包括在定子铁芯轭部的非绕线齿中开设有安装槽，磁障填充在安装槽中。转子永磁体采用不均匀气隙偏心磁极结构。在定子轭部适当的位置引入磁障，以增加1次电枢反应磁场谐波磁路磁阻，而基波和其他高次谐波磁路磁阻基本不受影响。偏心磁极转子结构提高了反电动势的正弦性并且降低了转矩脉动。低了转矩脉动。低了转矩脉动。


技术研发人员：武新章 潘建臣 张冬冬 郭平辉 郁腾 乙加伟
受保护的技术使用者：浙江超精电机科技有限公司
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/9/23