一種減小磁通切換永磁電機定位力矩的方法
2023-05-29 17:43:11 3
專利名稱：一種減小磁通切換永磁電機定位力矩的方法
技術領域：
本發明屬於永磁電機技術領域，具體涉及一種減小磁通切換永磁電機定位力矩的方法。
背景技術：
與電勵磁電機相比，永磁電機具有體積小、質量輕、效率高等顯著優點；由於其不需要勵磁繞組和直流勵磁電源，取消了容易出問題的集電環和電刷裝置，結構簡單，運行可靠，因此在風力發電、小型水力發電，以及小型內燃機發電等場合正在得到逐步推廣應用，尤其是採用永磁發電機的直驅型風力發電在當今已變得頗具吸引力。此外，我國稀土資源豐富，稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平也都達到了國際先進水平，因此，充分發揮 我國的資源優勢，大力發展和推廣以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機將具有重要的工程價值。傳統永磁電機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於轉子，這樣，在電機運行過程中，就會產生散熱困難、過高溫升導致永磁體不可逆退磁，從而限制電機出力等問題。針對這一問題，早在上個世紀50年代，就有學者對定子永磁電機開展了研究。與轉子永磁電機不同，定子永磁電機將永磁體和電樞繞組都置於定子，簡單的轉子結構不但提高了電機運行的可靠性，而且轉子旋轉時，也可以起到風扇的作用，使電機散熱性能得到增強。因此，1997年磁通切換永磁電機一經法國學者E. Hoang提出，便引起了人們的極大關注。然而，將永磁體置於定子，電機採用雙凸極結構，由於聚磁效應，磁通切換永磁電機氣隙磁密增加的同時，定位力矩問題也變得愈發嚴重。所謂定位力矩，是永磁電機中永磁體與有槽鐵芯相互作用的結果，將會導致電機運行時產生振動和噪聲。該力矩始終存在於永磁電機中，與電機是否通電無關，過大的峰-峰值不但會給電機起動帶來困難，而且也會導致電機運行過程中存在較大的轉矩脈動，從而限制其在各領域的應用，因此，採用有效的方法減小磁通切換永磁電機的定位力矩就具有重要的意義和實用價值。減小永磁電機定位力矩的傳統方法，包括轉子斜極、定子斜槽、分數槽結構、極弧係數組合優化、永磁體不對稱放置和磁極形狀優化等，這些方法都會對電機的性能產生不同程度的影響，而且還會增加電機的製造成本。
發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種減小磁通切換永磁電機定位力矩的方法，該方法簡單有效，工程上容易執行，可通過有限元法對鐵芯橋的厚度進行優化，保證定位力矩有效減小的同時，電機的空載感應電勢和電機出力等性能受到很小的影響。為了實現上述發明目的，本發明採取如下技術方案一種減小磁通切換永磁電機定位力矩的方法，所述方法包括以下步驟步驟I :在磁通切換永磁電機的定子鐵芯之間直有鐵芯橋，將永磁體直於相鄰定子鐵芯與所述鐵芯橋構成的凹槽中，並將鐵心橋的初始厚度設定為電機氣隙長度；步驟2 :確定對鐵芯橋厚度優化過程中涉及磁通切換永磁電機的性能參數；步驟3 :優化並確定鐵芯橋的厚度。所述步驟I中，所述鐵芯橋與所述定子鐵芯合為一體共同衝片疊壓後一次成型或與定子鐵芯分開衝片各自疊壓後再成型。所述步驟2中，對於磁通切換永磁發電機，其性能參數包括感應電勢峰值和總諧波畸變率THD。所述步驟2中，對於磁通切換永磁電動機，其性能參數包括電磁轉矩的峰-峰值、電感、反電勢的幅值和總諧波畸變率THD。所述磁通切換永磁電機包括徑向磁場磁通切換永磁電機、軸向磁場磁通切換永磁 電機和橫向磁場磁通切換永磁電機。所述徑向磁場磁通切換永磁電機包括外轉子徑向磁場磁通切換永磁電機和外轉子徑向磁場磁通切換永磁電機；所述軸向磁場磁通切換永磁電機包括單定子單轉子軸向磁場磁通切換永磁電機、中間定子軸向磁場磁通切換永磁電機、中間轉子軸向磁場磁通切換永磁電機和多定子多轉子軸向磁場磁通切換永磁電機。所述徑向磁場磁通切換永磁電機、軸向磁場磁通切換永磁電機和橫向磁場磁通切換永磁電機的勵磁方式均包括純永磁勵磁和混合勵磁。所述步驟3中，根據所確定的磁通切換永磁電機性能參數且採用有限元法對所述鐵芯橋的厚度進行優化，從而確定鐵芯橋的厚度。與現有技術相比，本發明的有益效果在於I.磁通切換永磁電機的電樞繞組與永磁體都置於定子,轉子僅為導磁鐵芯,結構堅固簡單，且轉子的風扇作用有利於改善該電機的散熱條件，該類電機電樞反應磁通和永磁磁通在磁路上構成並聯關係，保證了永磁勵磁具有較強的抗去磁能力；2.鐵芯橋放置在定子鐵芯之間，雖然增加了電機導磁材料的成本，但卻減少了永磁體的用量，所以並沒有增加電機的材料成本，相反地，電機的材料成本還有所下降；3.鐵芯橋將定子鐵芯連接在一起，從而可以將定子完整地衝片疊壓，一次成型，而不需要將定子鐵芯單獨衝片，分散疊壓後成形，簡化了該電機的製作工藝，也使定子的堅固程度得到加強；4.本發明在工程上容易實現，並可通過有限元法對鐵芯橋厚度的優化，保證定位力矩有效減小的同時，電機的空載感應電勢和電機出力等性能受到很小的影響；5.磁通切換永磁電機具有功率密度大、冷卻方便、效率高和適合高速運行等顯著特點；採用本發明技術改造後的磁通切換永磁電機既能減小定位力矩，又能保留這些特點，將其用於伺服系統，其在運行時，尤其是低速運行時的轉矩脈動問題可以得到有效解決；若將其用於風力發電系統，則可以有效減小起動風速，拓寬輸出功率的風速範圍。
圖I是實施例中定子鐵芯之間放置鐵芯橋的示意圖；圖2是實施例中鐵芯橋厚度對定位力矩的影響示意圖；圖3是實施例中鐵芯橋厚度對氣隙磁密的影響示意圖4是實施例中鐵芯橋厚度對感應電勢的影響不意圖；其中，L定子鐵芯，2.鐵芯橋，3.永磁體。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。如圖I,在磁通切換永磁電機的定子鐵芯I之間置有鐵芯橋2,將永磁體3置於相鄰定子鐵芯I與所述鐵芯橋2構成的凹槽中，並採用有限元法對鐵芯橋2的厚度進行優化。實施例I本發明用於軸向磁場磁通切換永磁電機。該電機為三相12/10極，由兩個相同結構的外定子和一個轉子組成。每個定子由 12個「U」形導磁鐵芯、12塊永磁體和12個線圈構成；每個線圈繞在兩個相鄰「U」形導磁鐵芯的齒上，中間嵌入永磁體，永磁體沿切向交替充磁。兩側定子上正對的永磁體充磁方向相反。定子繞組採用集中繞組。轉子共有10個齒，均勻設置在轉子非導磁圓環的外圓周上。根據具體實施方式
中的說明，在三相12/10極磁通切換永磁電機相鄰定子鐵芯I之間加上鐵芯橋2，並把鐵芯橋2的厚度設定為氣隙厚度1_。由於上述三相12/10極磁通切換永磁電機為一永磁同步發電機,對於其性能,最為關心的是感應電勢的幅值和總諧波畸變率THD，所以在對該電機鐵芯橋的厚度進行優化時，綜合考慮了定位力矩、感應電勢幅值和THD ;同時由於電機的其他性能多與氣隙磁密有密切關係，所以優化過程中，也對不同鐵芯橋厚度下的氣隙磁密進行了比較。依次設定鐵芯橋的厚度為O. 5mm、Imm和I. 5mm,採用有限元法,分別計算這三種情況及無鐵芯橋情況下的定位力矩、氣隙磁密和感應電勢，所得結果分別為如圖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，定位力矩相比沒有加鐵芯橋時變化不大，當鐵芯橋厚度為Imm和
1.5mm時，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，因此可以說明合適的鐵芯橋厚度，對電機的氣隙磁密影響不大，進而可以判定鐵芯橋厚度對電機出力等性能影響很小；從圖4可以看出，感應電勢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%。對不同鐵芯橋厚度下的感應電勢進行傅立葉分析，結果如表I所示表I
權利要求
1.ー種減小磁通切換永磁電機定位カ矩的方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟 步驟I:在磁通切換永磁電機的定子鐵芯之間置有鐵芯橋，將永磁體置於相鄰定子鐵芯與所述鐵芯橋構成的凹槽中，並將鐵心橋的初始厚度設定為電機氣隙長度； 步驟2 :確定對鐵芯橋厚度優化過程中涉及磁通切換永磁電機的性能參數； 步驟3 :優化並確定鐵芯橋的厚度。
2.根據權利要求I所述的減小磁通切換永磁電機定位カ矩的方法，其特徵在於所述步驟I中，所述鐵芯橋與所述定子鐵芯合為一體共同衝片疊壓後一次成型或與定子鐵芯分開衝片各自疊壓後再成型。
3.根據權利要求I所述的減小磁通切換永磁電機定位カ矩的方法，其特徵在於所述步驟2中，對於磁通切換永磁發電機，其性能參數包括感應電勢峰值和總諧波畸變率。
4.根據權利要求I所述的減小磁通切換永磁電機定位カ矩的方法，其特徵在於所述步驟2中，對於磁通切換永磁電動機，其性能參數包括電磁轉矩的峰-峰值、電感、反電勢的幅值和總諧波畸變率。
5.根據權利要求I所述的減小磁通切換永磁電機定位カ矩的方法，其特徵在於所述磁通切換永磁電機包括徑向磁場磁通切換永磁電機、軸向磁場磁通切換永磁電機和橫向磁場磁通切換永磁電機。
6.根據權利要求5所述的減小磁通切換永磁電機定位カ矩的方法，其特徵在於所述徑向磁場磁通切換永磁電機包括外轉子徑向磁場磁通切換永磁電機和外轉子徑向磁場磁通切換永磁電機；所述軸向磁場磁通切換永磁電機包括單定子單轉子軸向磁場磁通切換永磁電機、中間定子軸向磁場磁通切換永磁電機、中間轉子軸向磁場磁通切換永磁電機和多定子多轉子軸向磁場磁通切換永磁電機。
7.根據權利要求5或6所述的減小磁通切換永磁電機定位カ矩的方法，其特徵在於所述徑向磁場磁通切換永磁電機、軸向磁場磁通切換永磁電機和橫向磁場磁通切換永磁電機的勵磁方式均包括純永磁勵磁和混合勵磁。
8.根據權利要求I所述的減小磁通切換永磁電機定位カ矩的方法，其特徵在於所述步驟3中，根據所確定的磁通切換永磁電機性能參數且採用有限元法對所述鐵芯橋的厚度進行優化，從而確定鐵芯橋的厚度。
全文摘要
本發明提供一種減小磁通切換永磁電機定位力矩的方法，包括以下步驟在磁通切換永磁電機的定子鐵芯之間置有鐵芯橋，將永磁體置於相鄰定子鐵芯與所述鐵芯橋構成的凹槽中，並將鐵心橋的初始厚度設定為電機氣隙長度；確定對鐵芯橋厚度優化過程中涉及磁通切換永磁電機的性能參數；優化並確定鐵芯橋的厚度。該方法簡單有效，工程上容易執行，可通過有限元法對鐵芯橋的厚度進行優化，保證定位力矩有效減小的同時，電機的其他性能受到很小的影響。
文檔編號H02K1/17GK102820715SQ20121028067
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月8日 優先權日2012年8月8日
發明者張磊, 朱凌志, 趙大偉 申請人:中國電力科學研究院, 國家電網公司