專利名稱：一種減小磁通切換永磁電機(jī)定位力矩的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于永磁電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種減小磁通切換永磁電機(jī)定位力矩的方法。
背景技術(shù)：
與電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)；由于其不需要?jiǎng)?lì)磁繞組和直流勵(lì)磁電源，取消了容易出問(wèn)題的集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，因此在風(fēng)力發(fā)電、小型水力發(fā)電，以及小型內(nèi)燃機(jī)發(fā)電等場(chǎng)合正在得到逐步推廣應(yīng)用，尤其是采用永磁發(fā)電機(jī)的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電在當(dāng)今已變得頗具吸引力。此外，我國(guó)稀土資源豐富，稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平也都達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，因此，充分發(fā)揮 我國(guó)的資源優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展和推廣以稀土永磁電機(jī)為代表的各種永磁電機(jī)將具有重要的工程價(jià)值。傳統(tǒng)永磁電機(jī)大多米用表面貼裝式、插入式或嵌入式等工藝將永磁體固定于轉(zhuǎn)子，這樣，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，就會(huì)產(chǎn)生散熱困難、過(guò)高溫升導(dǎo)致永磁體不可逆退磁，從而限制電機(jī)出力等問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，早在上個(gè)世紀(jì)50年代，就有學(xué)者對(duì)定子永磁電機(jī)開(kāi)展了研究。與轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)不同，定子永磁電機(jī)將永磁體和電樞繞組都置于定子，簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不但提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性，而且轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，也可以起到風(fēng)扇的作用，使電機(jī)散熱性能得到增強(qiáng)。因此，1997年磁通切換永磁電機(jī)一經(jīng)法國(guó)學(xué)者E. Hoang提出，便引起了人們的極大關(guān)注。然而，將永磁體置于定子，電機(jī)采用雙凸極結(jié)構(gòu)，由于聚磁效應(yīng)，磁通切換永磁電機(jī)氣隙磁密增加的同時(shí)，定位力矩問(wèn)題也變得愈發(fā)嚴(yán)重。所謂定位力矩，是永磁電機(jī)中永磁體與有槽鐵芯相互作用的結(jié)果，將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。該力矩始終存在于永磁電機(jī)中，與電機(jī)是否通電無(wú)關(guān)，過(guò)大的峰-峰值不但會(huì)給電機(jī)起動(dòng)帶來(lái)困難，而且也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而限制其在各領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，采用有效的方法減小磁通切換永磁電機(jī)的定位力矩就具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。減小永磁電機(jī)定位力矩的傳統(tǒng)方法，包括轉(zhuǎn)子斜極、定子斜槽、分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)、極弧系數(shù)組合優(yōu)化、永磁體不對(duì)稱放置和磁極形狀優(yōu)化等，這些方法都會(huì)對(duì)電機(jī)的性能產(chǎn)生不同程度的影響，而且還會(huì)增加電機(jī)的制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種減小磁通切換永磁電機(jī)定位力矩的方法，該方法簡(jiǎn)單有效，工程上容易執(zhí)行，可通過(guò)有限元法對(duì)鐵芯橋的厚度進(jìn)行優(yōu)化，保證定位力矩有效減小的同時(shí)，電機(jī)的空載感應(yīng)電勢(shì)和電機(jī)出力等性能受到很小的影響。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案一種減小磁通切換永磁電機(jī)定位力矩的方法，所述方法包括以下步驟步驟I :在磁通切換永磁電機(jī)的定子鐵芯之間直有鐵芯橋，將永磁體直于相鄰定子鐵芯與所述鐵芯橋構(gòu)成的凹槽中，并將鐵心橋的初始厚度設(shè)定為電機(jī)氣隙長(zhǎng)度；步驟2 :確定對(duì)鐵芯橋厚度優(yōu)化過(guò)程中涉及磁通切換永磁電機(jī)的性能參數(shù)；步驟3 :優(yōu)化并確定鐵芯橋的厚度。所述步驟I中，所述鐵芯橋與所述定子鐵芯合為一體共同沖片疊壓后一次成型或與定子鐵芯分開(kāi)沖片各自疊壓后再成型。所述步驟2中，對(duì)于磁通切換永磁發(fā)電機(jī)，其性能參數(shù)包括感應(yīng)電勢(shì)峰值和總諧波畸變率THD。所述步驟2中，對(duì)于磁通切換永磁電動(dòng)機(jī)，其性能參數(shù)包括電磁轉(zhuǎn)矩的峰-峰值、電感、反電勢(shì)的幅值和總諧波畸變率THD。所述磁通切換永磁電機(jī)包括徑向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)、軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁 電機(jī)和橫向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)。所述徑向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)包括外轉(zhuǎn)子徑向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)和外轉(zhuǎn)子徑向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)；所述軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)包括單定子單轉(zhuǎn)子軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)、中間定子軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)、中間轉(zhuǎn)子軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)和多定子多轉(zhuǎn)子軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)。所述徑向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)、軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)和橫向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)的勵(lì)磁方式均包括純永磁勵(lì)磁和混合勵(lì)磁。所述步驟3中，根據(jù)所確定的磁通切換永磁電機(jī)性能參數(shù)且采用有限元法對(duì)所述鐵芯橋的厚度進(jìn)行優(yōu)化，從而確定鐵芯橋的厚度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于I.磁通切換永磁電機(jī)的電樞繞組與永磁體都置于定子,轉(zhuǎn)子僅為導(dǎo)磁鐵芯,結(jié)構(gòu)堅(jiān)固簡(jiǎn)單，且轉(zhuǎn)子的風(fēng)扇作用有利于改善該電機(jī)的散熱條件，該類電機(jī)電樞反應(yīng)磁通和永磁磁通在磁路上構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，保證了永磁勵(lì)磁具有較強(qiáng)的抗去磁能力；2.鐵芯橋放置在定子鐵芯之間，雖然增加了電機(jī)導(dǎo)磁材料的成本，但卻減少了永磁體的用量，所以并沒(méi)有增加電機(jī)的材料成本，相反地，電機(jī)的材料成本還有所下降；3.鐵芯橋?qū)⒍ㄗ予F芯連接在一起，從而可以將定子完整地沖片疊壓，一次成型，而不需要將定子鐵芯單獨(dú)沖片，分散疊壓后成形，簡(jiǎn)化了該電機(jī)的制作工藝，也使定子的堅(jiān)固程度得到加強(qiáng)；4.本發(fā)明在工程上容易實(shí)現(xiàn)，并可通過(guò)有限元法對(duì)鐵芯橋厚度的優(yōu)化，保證定位力矩有效減小的同時(shí)，電機(jī)的空載感應(yīng)電勢(shì)和電機(jī)出力等性能受到很小的影響；5.磁通切換永磁電機(jī)具有功率密度大、冷卻方便、效率高和適合高速運(yùn)行等顯著特點(diǎn)；采用本發(fā)明技術(shù)改造后的磁通切換永磁電機(jī)既能減小定位力矩，又能保留這些特點(diǎn)，將其用于伺服系統(tǒng)，其在運(yùn)行時(shí)，尤其是低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題可以得到有效解決；若將其用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，則可以有效減小起動(dòng)風(fēng)速，拓寬輸出功率的風(fēng)速范圍。


圖I是實(shí)施例中定子鐵芯之間放置鐵芯橋的示意圖；圖2是實(shí)施例中鐵芯橋厚度對(duì)定位力矩的影響示意圖；圖3是實(shí)施例中鐵芯橋厚度對(duì)氣隙磁密的影響示意圖4是實(shí)施例中鐵芯橋厚度對(duì)感應(yīng)電勢(shì)的影響不意圖；其中，L定子鐵芯，2.鐵芯橋，3.永磁體。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖I,在磁通切換永磁電機(jī)的定子鐵芯I之間置有鐵芯橋2,將永磁體3置于相鄰定子鐵芯I與所述鐵芯橋2構(gòu)成的凹槽中，并采用有限元法對(duì)鐵芯橋2的厚度進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)施例I本發(fā)明用于軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)。該電機(jī)為三相12/10極，由兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的外定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子組成。每個(gè)定子由 12個(gè)“U”形導(dǎo)磁鐵芯、12塊永磁體和12個(gè)線圈構(gòu)成；每個(gè)線圈繞在兩個(gè)相鄰“U”形導(dǎo)磁鐵芯的齒上，中間嵌入永磁體，永磁體沿切向交替充磁。兩側(cè)定子上正對(duì)的永磁體充磁方向相反。定子繞組采用集中繞組。轉(zhuǎn)子共有10個(gè)齒，均勻設(shè)置在轉(zhuǎn)子非導(dǎo)磁圓環(huán)的外圓周上。根據(jù)具體實(shí)施方式
中的說(shuō)明，在三相12/10極磁通切換永磁電機(jī)相鄰定子鐵芯I之間加上鐵芯橋2，并把鐵芯橋2的厚度設(shè)定為氣隙厚度1_。由于上述三相12/10極磁通切換永磁電機(jī)為一永磁同步發(fā)電機(jī),對(duì)于其性能,最為關(guān)心的是感應(yīng)電勢(shì)的幅值和總諧波畸變率THD，所以在對(duì)該電機(jī)鐵芯橋的厚度進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，綜合考慮了定位力矩、感應(yīng)電勢(shì)幅值和THD ;同時(shí)由于電機(jī)的其他性能多與氣隙磁密有密切關(guān)系，所以優(yōu)化過(guò)程中，也對(duì)不同鐵芯橋厚度下的氣隙磁密進(jìn)行了比較。依次設(shè)定鐵芯橋的厚度為O. 5mm、Imm和I. 5mm,采用有限元法,分別計(jì)算這三種情況及無(wú)鐵芯橋情況下的定位力矩、氣隙磁密和感應(yīng)電勢(shì)，所得結(jié)果分別為如圖2、圖3和圖4所示。從圖2可以看出，定位力矩隨鐵心橋的厚度增加而減小，但周期不變，均為6° ;且鐵芯橋厚度為O. 5mm時(shí)，定位力矩相比沒(méi)有加鐵芯橋時(shí)變化不大，當(dāng)鐵芯橋厚度為Imm和
1.5mm時(shí)，定位力矩峰一峰值下降明顯，分別從3. 9248Nm下降到2. 1549Nm和I. 9315Nm，降幅分別為45. 10%和50. 79% ;從圖3可以看出，氣隙磁密的變化不大，因此可以說(shuō)明合適的鐵芯橋厚度，對(duì)電機(jī)的氣隙磁密影響不大，進(jìn)而可以判定鐵芯橋厚度對(duì)電機(jī)出力等性能影響很??；從圖4可以看出，感應(yīng)電勢(shì)的幅值隨鐵芯橋厚度的增加而減小，減小幅度分別為
2.0%、6. 01%和12. 42%。對(duì)不同鐵芯橋厚度下的感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行傅里葉分析，結(jié)果如表I所示表I
權(quán)利要求
1.ー種減小磁通切換永磁電機(jī)定位カ矩的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟 步驟I:在磁通切換永磁電機(jī)的定子鐵芯之間置有鐵芯橋，將永磁體置于相鄰定子鐵芯與所述鐵芯橋構(gòu)成的凹槽中，并將鐵心橋的初始厚度設(shè)定為電機(jī)氣隙長(zhǎng)度； 步驟2 :確定對(duì)鐵芯橋厚度優(yōu)化過(guò)程中涉及磁通切換永磁電機(jī)的性能參數(shù)； 步驟3 :優(yōu)化并確定鐵芯橋的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的減小磁通切換永磁電機(jī)定位カ矩的方法，其特征在于所述步驟I中，所述鐵芯橋與所述定子鐵芯合為一體共同沖片疊壓后一次成型或與定子鐵芯分開(kāi)沖片各自疊壓后再成型。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的減小磁通切換永磁電機(jī)定位カ矩的方法，其特征在于所述步驟2中，對(duì)于磁通切換永磁發(fā)電機(jī)，其性能參數(shù)包括感應(yīng)電勢(shì)峰值和總諧波畸變率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的減小磁通切換永磁電機(jī)定位カ矩的方法，其特征在于所述步驟2中，對(duì)于磁通切換永磁電動(dòng)機(jī)，其性能參數(shù)包括電磁轉(zhuǎn)矩的峰-峰值、電感、反電勢(shì)的幅值和總諧波畸變率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的減小磁通切換永磁電機(jī)定位カ矩的方法，其特征在于所述磁通切換永磁電機(jī)包括徑向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)、軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)和橫向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的減小磁通切換永磁電機(jī)定位カ矩的方法，其特征在于所述徑向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)包括外轉(zhuǎn)子徑向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)和外轉(zhuǎn)子徑向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)；所述軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)包括單定子單轉(zhuǎn)子軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)、中間定子軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)、中間轉(zhuǎn)子軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)和多定子多轉(zhuǎn)子軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的減小磁通切換永磁電機(jī)定位カ矩的方法，其特征在于所述徑向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)、軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)和橫向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)的勵(lì)磁方式均包括純永磁勵(lì)磁和混合勵(lì)磁。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的減小磁通切換永磁電機(jī)定位カ矩的方法，其特征在于所述步驟3中，根據(jù)所確定的磁通切換永磁電機(jī)性能參數(shù)且采用有限元法對(duì)所述鐵芯橋的厚度進(jìn)行優(yōu)化，從而確定鐵芯橋的厚度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種減小磁通切換永磁電機(jī)定位力矩的方法，包括以下步驟在磁通切換永磁電機(jī)的定子鐵芯之間置有鐵芯橋，將永磁體置于相鄰定子鐵芯與所述鐵芯橋構(gòu)成的凹槽中，并將鐵心橋的初始厚度設(shè)定為電機(jī)氣隙長(zhǎng)度；確定對(duì)鐵芯橋厚度優(yōu)化過(guò)程中涉及磁通切換永磁電機(jī)的性能參數(shù)；優(yōu)化并確定鐵芯橋的厚度。該方法簡(jiǎn)單有效，工程上容易執(zhí)行，可通過(guò)有限元法對(duì)鐵芯橋的厚度進(jìn)行優(yōu)化，保證定位力矩有效減小的同時(shí)，電機(jī)的其他性能受到很小的影響。
文檔編號(hào)H02K1/17GK102820715SQ20121028067
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者張磊, 朱凌志, 趙大偉 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司