阅读说明：本技术 电机转矩电流的优化方法及表贴式永磁电机 (motor torque current optimization method and surface-mounted permanent magnet motor ) 是由 莫为 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种电机转矩电流的优化方法及表贴式永磁电机,该电机转矩电流的优化方法包括：选用分数槽集中绕组的表贴式永磁电机,并利用Maxwell软件建立分数槽集中绕组永磁电机的齿槽转矩仿真模型；对表贴式永磁电机的极数和槽数进行优化,获得电机槽极比的优化结果；根据电机槽极比的优化结果对表贴式永磁电机中定子齿的宽度及铁芯轭部的厚度进行优化,获得第一优化结果；根据第一优化结果,对表贴式永磁电机中机械极弧系数进行优化,获得第二优化结果；将第一优化结果和第二优化结果输入至分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型,确定永磁电机的机械结构。本发明技术方案提高了表贴式永磁电机转矩电流的线性度。(The invention discloses a motor torque current optimization method and a surface-mounted permanent magnet motor, wherein the motor torque current optimization method comprises the following steps: selecting a surface-mounted permanent magnet motor of the fractional-slot concentrated winding, and establishing a cogging torque simulation model of the fractional-slot concentrated winding permanent magnet motor by using Maxwell software; optimizing the pole number and the slot number of the surface-mounted permanent magnet motor to obtain an optimization result of the motor slot pole ratio; optimizing the width of stator teeth and the thickness of an iron core yoke part in the surface-mounted permanent magnet motor according to the optimization result of the slot pole ratio of the motor to obtain a first optimization result; optimizing the mechanical pole arc coefficient in the surface-mounted permanent magnet motor according to the first optimization result to obtain a second optimization result; and inputting the first optimization result and the second optimization result into a fractional slot concentrated winding permanent magnet motor cogging torque simulation model to determine the mechanical structure of the permanent magnet motor. The technical scheme of the invention improves the linearity of the torque current of the surface-mounted permanent magnet motor.)

电机转矩电流的优化方法及表贴式永磁电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种电机转矩电流的优化方法及表贴式永磁电机。

背景技术

随着永磁电机的发展，在各种机器人及高端工业智能装备中，为其提供动力的伺服电机是核心功能部件之一，而高性能的永磁无刷力矩伺服电机是其中典型代表之一。在永磁无刷力矩伺服电机中转速、转矩以及生产成本均与极数联系密切，其中具有的齿槽转矩可以直接影响发电机的运行性能，同时由于转矩与功率密度较小，从而导致转矩电流线性度较低。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种电机转矩电流的优化方法及表贴式永磁电机，旨在提高表贴式永磁电机转矩电流的线性度。

为实现上述目的，本发明提出的电机转矩电流的优化方法，包括选用分数槽集中绕组的表贴式永磁电机，并利用Maxwell软件建立分数槽集中绕组永磁电机的齿槽转矩仿真模型；

对所述表贴式永磁电机的极数和槽数进行优化，获得所述电机槽极比的优化结果；

根据所述电机槽极比的优化结果对所述表贴式永磁电机中定子齿的宽度及铁芯轭部的厚度进行优化，获得第一优化结果；

根据所述第一优化结果，对表贴式永磁电机中机械极弧系数进行优化，获得第二优化结果；

将所述第一优化结果和第二优化结果输入至所述分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型，确定所述永磁电机的机械结构。

可选地，所述根据所述电机槽极比的优化结果对所述表贴式永磁电机中定子齿的宽度及铁芯轭部的厚度进行优化，获得第一优化结果的步骤包括：

保持所述表贴式永磁电机的空载气隙磁密一致，对所述表贴式永磁电机的每极磁通降低；

根据所述表贴式永磁电机的每极磁通降低，降低所述表贴式永磁电机的定子铁芯轭部的厚度，增加所述表贴式永磁电机的定子齿宽度；

对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型中的多个参数进行分析，获得所述第一优化结果。

可选地，所述对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型中的多个参数进行分析，获得所述第一优化结果的步骤包括：

对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型中的多个参数进行分析；其中，所述多个参数包括齿槽转矩、空载气隙磁密和温升；

将温升不超过所述分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型的永磁电机承受最高温度的方案作为所述第一优化结果。

可选地，所述永磁电机为钕铁硼永磁体。

可选地，所述永磁电机承受的最高温度范围为140℃-160℃。

可选地，所述根据所述第一优化结果，对表贴式永磁电机中机械极弧系数进行优化，获得第二优化结果的步骤包括：

确定所述表贴式永磁电机的转子轴向尺寸，并与所述表贴式永磁电机的轴向长度保持一致；

增加所述表贴式永磁电机的机械极弧系数，削弱所述表贴式永磁电机的齿槽转矩，获得所述第二优化结果。

可选地，所述表贴式永磁电机的转子轴向尺寸包括：轴向长度、磁极宽度以及径向厚度；

当所述表贴式永磁电机的机械极弧系数增加，所述磁极宽度增加，所述表贴式永磁电机的有效磁通增大；

当所述表贴式永磁电机的永磁体磁势增加，所述径向厚度增大。

可选地，所述当所述表贴式永磁电机的永磁体磁势增加，所述径向厚度增大的步骤包括：

当所述表贴式永磁电机的径向厚度不一致时，所述表贴式永磁电机的电枢磁动势与永磁体磁势的关系为公式：Ni_max≤αH_c'h_min，其中N是表贴式永磁电机的单线圈匝数，i_max为表贴式永磁电机的最大电流，α是表贴式永磁电机工艺参数，h_m为表贴式永磁电机的永磁体最大厚度，h_min为表贴式永磁电机的永磁体最小厚度，R为表贴式永磁电机的永磁体外圆半径，R₁为表贴式永磁电机的永磁体内圆半径，b_m是表贴式永磁电机的永磁体机械极弧系数对应的实际宽度。

可选地，所述表贴式永磁电机工艺参数α的数值范围为0.7-0.97。

本发明还提出一种表贴式永磁电机，所述表贴式永磁电机包括如上所述的电机转矩电流的优化方法。

本发明技术方案通过选用分数槽集中绕组的表贴式永磁电机，利用Maxwell软件建立分数槽集中绕组永磁电机的齿槽转矩仿真模型，对齿槽转矩仿真模型中涉及的参数进行优化，以获得降低电机转矩电流线性度的电机机械结构。进一步地，在建立了永磁电机的齿槽转矩仿真模型后，对表贴式永磁电机的极数和槽数进行优化，以获得优化后的永磁电机槽极比；根据此电机槽极比的优化结果，对电机中定子齿的宽度及铁芯轭部的厚度进行优化，这样就不会轻易地引起永磁电机在过载时的高磁密饱和，从而达到永磁电机转矩电流线性度较好的要求。同时，对表贴式永磁电机的机械极弧系数进行优化，以通过优化后的永磁电机有效磁通。通过定子齿的宽度、铁芯轭部的厚度及机械极弧系数的优化结果输入至分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型，以获得永磁电机的优化机械结构，即是分数槽集中绕组的极数大于槽数的永磁电机的优化机械结构。永磁电机的此种优化机械结构，以提高表贴式永磁电机的转矩电流线性度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明电机转矩电流的优化方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明电机转矩电流的优化方法中表贴式永磁电机磁极一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及可点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种电机转矩电流的优化方法，应用于表贴式永磁电机。按照永磁电机的转子永磁体磁极在转子上的位置不同包括：表贴式、内嵌式和爪极式等各种形式。其中表贴式转子结构的制造工艺简单，成本低，应用广泛，对于高速永磁电机，有的电机转子采用表贴式电机转子，其电机转子一般包括护套、永磁体、铁芯、转轴、端板，铁芯套在转轴上，永磁***于铁芯外侧，护套位于永磁体径向外侧，包住永磁体，端板位于永磁体轴向两侧，可以减少涡流损耗和提高护套的强度。

在本发明一实施例中，如图1所示，该电机转矩电流的优化方法包括：

步骤S100，选用分数槽集中绕组的表贴式永磁电机，并利用Maxwell软件建立分数槽集中绕组永磁电机的齿槽转矩仿真模型；

步骤S200，对所述表贴式永磁电机的极数和槽数进行优化，获得所述电机槽极比的优化结果；

步骤S300，根据所述电机槽极比的优化结果对所述表贴式永磁电机中定子齿的宽度及铁芯轭部的厚度进行优化，获得第一优化结果；

步骤S400，根据所述第一优化结果，对表贴式永磁电机中机械极弧系数进行优化，获得第二优化结果；

步骤S500，将所述第一优化结果和第二优化结果输入至所述分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型，确定所述永磁电机的机械结构。

本实施例中，所述永磁电机包括定子和转子，所述定子上设有若干齿，相邻齿之间构成槽，所述转子上设有若干对磁瓦，所述磁电机中永磁体的极数简称为极，极数即为磁瓦的个数，一个磁瓦中的N和S算两个极。可以理解的是，现有的永磁电机由预设数量的单元电机构成，每个单元电机由预设数量的所述齿、槽和磁瓦构成，每个单元电机的槽极比例为9：8，即永磁电机中单元电机的槽极数为9：8的整倍数，例如具体可以是9槽8极、18槽16极、27槽24极等。在所述永磁电机中，电机的槽极配合通常是周期性的，比如8个极分配9个槽后又重复前面的分配，从而构成16极18槽、24极27槽等，每个周期内分配的极和槽称为＂单元电机＂，重复分配的周期数称为＂单元电机数＂。

上述实施例中，磁瓦主要用在永磁直流电机中，与电磁式电机通过励磁线圈产生磁势源不同，永磁电机是以永磁材料产生恒定磁势源。永磁磁瓦代替电励磁具有很多优点，可使电机结构简单、维修方便、重量轻、体积小、使用可靠、用铜量少、铜耗低、能耗小等。

本实施例中，首先利用Maxwell软件对分数槽集中绕组的表贴式永磁电机，建立分数槽集中绕组永磁电机的齿槽转矩仿真模型；由于现有技术中永磁电机的槽极数一般为9:8的整数倍，或者说极数小于槽数；因此在本方案中就对表贴式永磁电机的极数和槽数进行优化，以获得一个永磁电机槽极比的优化结果，并根据表贴式永磁电机的槽极比的优化结果，对表贴式永磁电机定子齿的宽度及铁芯轭部的厚度进行优化，获得第一优化结果，对表贴式永磁电机机械极弧系数进行优化，获得第二优化结果，最后将第一优化结果和第二优化结果结合分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型，确定永磁电机的机械结构。

可以理解的是，根据优化结果确定的永磁电机的机械结构，是基于优化的表贴式永磁电机的槽极比，此时可以提高永磁电机转矩电流的线性度。

进一步地，表贴式永磁电机的转速、转矩等，均与电机极数有关，永磁电机极数少的成本比较低且更容易达到较高的转速；然而，永磁电机定子和转子铁芯轭部厚度与永磁电机极对数成反比，定子齿宽度与永磁电机极对数成正比。因此需要对表贴式永磁电机的极数和槽数进行优化，以及永磁电机中定子齿的宽度及铁芯轭部的厚度进行优化，这样就不会轻易地引起电机在过载时的高磁密饱和，从而可以改善永磁电机的力矩电流线性度。

此外，若在永磁电机的转矩平稳性和转矩电流线性度要比较好时，即可以采用分数槽集中绕组槽极配合方式，由于永磁电机齿槽转矩与转矩波动需要较小，因此对表贴式永磁电机的极数和槽数进行优化时，极数需要尽可能多，且分数槽集中绕组槽极数取相近的数值，具体地，分数槽集中绕组槽极比可以优化取值为8:9、或是16:18、或是24:27等，此处不做限制。需要说明的是，分数槽集中绕组槽数少于极数。这样就可以提升永磁电机的磁负荷，增大永磁电机转子旋转一周齿槽转矩变化的周期数，提高最低齿槽转矩阶数，进而从槽极配合的角度削弱齿槽转矩，以降低永磁电机过载时的高磁密饱和，从而达到转矩电流线性度较好的要求。

本发明技术方案通过选用分数槽集中绕组的表贴式永磁电机，利用Maxwell软件建立分数槽集中绕组永磁电机的齿槽转矩仿真模型，对齿槽转矩仿真模型中涉及的参数进行优化，以获得降低电机转矩电流线性度的电机机械结构。进一步地，在建立了永磁电机的齿槽转矩仿真模型后，对表贴式永磁电机的极数和槽数进行优化，以获得优化后的永磁电机槽极比；根据此电机槽极比的优化结果，对电机中定子齿的宽度及铁芯轭部的厚度进行优化，这样就不会轻易地引起永磁电机在过载时的高磁密饱和，从而达到永磁电机转矩电流线性度较好的要求。同时，对表贴式永磁电机的机械极弧系数进行优化，以通过优化后的永磁电机有效磁通。通过定子齿的宽度、铁芯轭部的厚度及机械极弧系数的优化结果输入至分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型，以获得永磁电机的优化机械结构，即是分数槽集中绕组的极数大于槽数的永磁电机的优化机械结构。永磁电机的此种优化机械结构，以提高表贴式永磁电机的转矩电流线性度。

在一实施例中，所述根据所述电机槽极比的优化结果对所述表贴式永磁电机中定子齿的宽度及铁芯轭部的厚度进行优化，获得第一优化结果的步骤包括：

保持所述表贴式永磁电机的空载气隙磁密一致，对所述表贴式永磁电机的每极磁通降低；

根据所述表贴式永磁电机的每极磁通降低，降低所述表贴式永磁电机的定子铁芯轭部的厚度，增加所述表贴式永磁电机的定子齿宽度；

对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型中的多个参数进行分析，获得所述第一优化结果。

本实施例中，即是上述在永磁电机的转矩平稳性和转矩电流线性度要比较好时，采用分数槽集中绕组槽极配合方式，由于永磁电机齿槽转矩与转矩波动需要较小，因此对表贴式永磁电机的极数和槽数进行优化时，分数槽集中绕组槽极数取相近的数值，这样可能会造成每一时刻都会有磁通穿过气隙进入定子齿部但未进入定子轭部，没有形成有效的磁路闭合回路，产生无效激磁，此时通过永磁电机极数大于槽数，就可以提升永磁电机的磁负荷，增大永磁电机转子旋转一周齿槽转矩变化的周期数，提高最低齿槽转矩阶数，进而从槽极配合的角度削弱齿槽转矩，以降低永磁电机过载时的高磁密饱和，从而达到转矩电流线性度较好的要求。

本实施例中，磁密指的是磁通密度，具体是指垂直通过单位面积的磁力线的数量，也称磁感应强度。它从数量上反映磁力线的疏密程度。磁场的强弱通常用磁感应强度来表示，磁场越强，磁感应强度的数值越大，磁力线就越密。永磁电机中的磁力线会穿过定转子铁芯和气隙，由于气隙磁阻较大，所以在非深度饱和的情况下，气隙的磁压降占据磁路中的绝大部分。气隙中的磁场既有径向分量，也有切向分量，但以径向分量为主，因此我们通常所说的气隙磁场、气隙磁密都默认为径向分量。在永磁电机设计参数中，一般不直接提气隙磁密这个概念，而是用磁负荷来表征。

本实施例中，所述对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型中的多个参数进行分析，获得所述第一优化结果的步骤包括：

对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型中的多个参数进行分析；其中，所述多个参数包括齿槽转矩、空载气隙磁密和温升；

将温升不超过所述分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩仿真模型的永磁电机承受最高温度的方案作为所述第一优化结果。

本实施例中，所述永磁电机为钕铁硼永磁体。钕铁硼磁体是指由稀土元素与铁、硼组成的金属间化合物，稀土元素主要是钕或钕等的组合，有时也用钴、铝、钒等元素取代部分铁。随着计算机、通讯等产业的发展，稀土永磁特别是NdFeB永磁产业得到了飞速发展。稀土永磁材料是现有已知的综合性能最高的一种永磁材料，比铁氧体、铝镍钴性能优越得多，比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍。由于稀土永磁材料的使用，不仅促进了永磁器件向小型化发展，提高了产品的性能。

在上述实施例中，所述永磁电机承受的最高温度范围为140℃-160℃。进一步地，永磁电机中永磁体的径向厚度与永磁体磁势相关，特别是径向厚度不一致的永磁体结构，其永磁体最小厚度设计时更要以永磁体能够承受最高温度为前提条件，考虑永磁体的抗去磁能力，通常情况下，较高矫顽力钕铁硼永磁体最高工作温度在为140℃-160℃左右，此时内禀退磁曲线和退磁曲线基本重合，电枢磁动势的大小决定永磁体厚度。可以理解的是，较高矫顽力钕铁硼永磁体最高工作温度可以是140℃、150℃、160℃等。

本实施例中，退磁曲线指磁性合金的磁滞回线在坐标轴中第二象限或第四象限那部分的曲线。一般是指用一个单位变化的磁场从饱和状态退磁的情形。内禀退磁曲线是退磁曲线的一部分，内禀退磁曲线是退磁曲线里面可以恢复的一部分。可以理解的是，此处所述的磁性合金即是指永磁电机中的永磁体。

需要说明的是，磁滞回线是当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁化场强，介质的磁感应强度并不沿着起始磁化曲线减小，磁感应强度的变化滞后于磁化场强的变化，这种现象叫磁滞。在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。磁感应强度与磁化场强磁滞回线的面积表示经历一个周期过程后铁磁体损耗的能量。

本实施例中，矫顽力是指磁性材料在饱和磁化后，当外磁场退回到零时其磁感应强度并不退到零，只有在原磁化场相反方向加上一定大小的磁场才能使磁感应强度退回到零，该磁场称为矫顽磁场，又称矫顽力。使已磁化的铁磁质失去磁性而必须加的与原磁化方向相反的外磁场强度。不仅与铁磁质的性质有关，还依赖于铁磁质原先的磁化强度。例如在制造变压器的铁芯或电磁铁时，需要选择矫顽力小的材料(如软铁、硅钢等)，以使电流切断后尽快消失磁性。在制造永磁体时，需要选择矫顽力大的材料(如铝镍钴等)，以求尽可能保存磁性，不使其消失。

在一实施例中，所述根据所述第一优化结果，对表贴式永磁电机中机械极弧系数进行优化，获得第二优化结果的步骤包括：

确定所述表贴式永磁电机的转子轴向尺寸，并与所述表贴式永磁电机的轴向长度保持一致；

增加所述表贴式永磁电机的机械极弧系数，削弱所述表贴式永磁电机的齿槽转矩，获得所述第二优化结果。

本实施例中，所述表贴式永磁电机的转子轴向尺寸包括：轴向长度、磁极宽度以及径向厚度；

当所述表贴式永磁电机的机械极弧系数增加，所述磁极宽度增加，所述表贴式永磁电机的有效磁通增大；

当所述表贴式永磁电机的永磁体磁势增加，所述径向厚度增大。

本实施例中，如图2所示，所述当所述表贴式永磁电机的永磁体磁势增加，所述径向厚度增大的步骤包括：

当所述表贴式永磁电机的径向厚度不一致时，所述表贴式永磁电机的电枢磁动势与永磁体磁势的关系为公式：Ni_max≤αH_c'h_min，其中N是表贴式永磁电机的单线圈匝数，i_max为表贴式永磁电机的最大电流，α是表贴式永磁电机工艺参数，h_m为表贴式永磁电机的永磁体最大厚度，h_min为表贴式永磁电机的永磁体最小厚度，R为表贴式永磁电机的永磁体外圆半径，R₁为表贴式永磁电机的永磁体内圆半径，b_m是表贴式永磁电机的永磁体机械极弧系数对应的实际宽度。

本实施例中，所述表贴式永磁电机工艺参数α的数值范围为0.7-0.97。可以理解的是，表贴式永磁电机工艺参数α的数值可以是0.7、0.8、0.97等，根据实际应用设置，此处不做限制。

本发明还提出一种表贴式永磁电机，所述表贴式永磁电机包括如上所述的的电机转矩电流的优化方法。该电机转矩电流的优化方法的具体步骤参照上述实施例，由于本表贴式永磁电机采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。