氣隙磁場正弦分布的高速隱極電勵磁同步電機轉(zhuǎn)子及其結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種隱極電勵磁同步電機轉(zhuǎn)子及其結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法，特別是一種氣 隙磁場正弦分布的高速隱極電勵磁同步電機轉(zhuǎn)子及其結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著電力電機技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和控制理論等學(xué)科的發(fā)展和 相互滲透，電勵磁同步電機與永磁同步電機相比，因具有磁場可控等優(yōu)點，已被應(yīng)用在氣體 壓縮機、水累、高速鼓風(fēng)機和高速寬調(diào)速電動汽車等驅(qū)動機械中。
[0003] 常用的電勵磁同步電機轉(zhuǎn)子有凸極式和隱極式兩種結(jié)構(gòu)，凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和制造 簡單，可通過調(diào)整非均勻氣隙使氣隙磁場接近正弦分布，其主要缺點是機械強度較差，僅適 用于低速運行；隱極式轉(zhuǎn)子通常為每極由一個大齒和若干個小齒構(gòu)成，特別適用于電機高 速運行的場合。
[0004] 設(shè)計隱極式轉(zhuǎn)子時常規(guī)先確定轉(zhuǎn)子每極的槽距數(shù)Z2'（轉(zhuǎn)子槽分度數(shù)），然后，再 確定磁極中屯、線兩側(cè)實際安放轉(zhuǎn)子勵磁繞組的槽數(shù)Z2,其余的狂2' -Z2)個槽跳空（即沒有 開槽）形成一個大齒。通過合理選擇比值丫= Z2/Z2'可使電機的氣隙磁場分布接近正弦。 運種方法適用于大型電機，因為轉(zhuǎn)子的槽距數(shù)Zz'大，丫的選擇較靈活，便于實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場 的正弦度要求。對于中小型電機，由于機械強度和制造工藝的原因，能滿足電機繞組對稱性 條件的槽距數(shù)Zz'方案不多，導(dǎo)致T的選值范圍很有限，難W實現(xiàn)氣隙磁場正弦分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種氣隙磁場正弦分布的高速 隱極電勵磁同步電機轉(zhuǎn)子及其結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法，克服常規(guī)技術(shù)存在的缺點，既能提高電 機的最大安全運行轉(zhuǎn)速，又能改善磁場波形、抑制磁場諧波分量，使它逼近正弦分布，降低 轉(zhuǎn)矩脈動和振動噪聲，減小損耗、提高電機效率。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是：轉(zhuǎn)子每極的中屯、線處有一個大齒，兩側(cè)各有 n個對稱分布的槽，通過調(diào)節(jié)槽數(shù)、齒距和各槽的導(dǎo)體數(shù)來實現(xiàn)氣隙磁場波形的正弦分布， 減小磁場諧波分量，降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動，提高電機的電磁性能。
[0007] 根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種氣隙磁場正弦分布的高速隱極電勵 磁同步電機轉(zhuǎn)子，如圖1所示（例圖中n = 4)，其特征在于：
[0008] (1)每一極有化個齒，中間一個是大齒，其中屯、線即為極中屯、線；各小齒為等齒 距，磁極中性線處為小齒中屯、線。
[0009] (2)每極的大齒兩側(cè)各有n個槽，用于安放該極的勵磁繞組。各槽內(nèi)嵌入的導(dǎo)線 數(shù)按氣隙磁場正弦分布的原則確定，各槽最大槽深，受機械強度、剛度和磁輛的磁密大小制 約，各槽尺寸由該槽的導(dǎo)線數(shù)和導(dǎo)線線徑?jīng)Q定。
[0010] (3)每極的勵磁繞組由n個應(yīng)數(shù)不同、節(jié)距不同的同屯、式勵磁線圈串聯(lián)而成。
[0011] 上述轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法，其特征在于確定步驟如下：
[0012] 記半齒距角（小齒中屯、線到相鄰槽中屯、線之間的空間角度，單位為電弧度）為a， 取磁極中性線處為角度坐標(biāo)的原點即0 =0,則磁極中屯、處0 =n/2,第i個槽中屯、處0 1 =(2i-l)a,i= 1, 2,. . .，n，如圖2所示（例圖中n= 4)。圖中，當(dāng)勵磁電流確定時，理想 的正弦分布的氣隙磁勢需由理想的余弦分布的勵磁電流線密度產(chǎn)生。
[0013] (a)根據(jù)技術(shù)要求和實際尺寸大小確定n值，磁勢正弦度要求高的n需要取大值； 轉(zhuǎn)子尺寸大的n可取大值。
[0014] 化）為使磁勢分布接近正弦，則繞組線應(yīng)必須接近余弦分布。假設(shè)槽內(nèi)導(dǎo)線集中在 槽中屯、，當(dāng)n確定后，半齒距角a的理論值可由式（1)解得：
(1)
[0016](C)根據(jù)電機電磁性能要求的每極勵磁總安應(yīng)數(shù)Ft(單位為A)，估算轉(zhuǎn)子表面勵 磁電流線密度幅值A(chǔ)m(單位為A/rad):
[0017] Am=Ft似
[001引 （d)根據(jù)勵磁電流If(單位為A)，計算實際各槽導(dǎo)體數(shù)Ni為：
巧）
[0020] 式中方括號表示四舍五入取整。
[0021] (e)修正后的各段階梯磁勢F'1為：
、4
[0023] 訊修正后的半齒距角a'為：
(5)
[00巧](g)每極勵磁繞組總應(yīng)數(shù)Nt為： n
[0026] N,=心; !''=I (6)
[0027]化）修正后的每極勵磁總安應(yīng)F't為： 陽02引 F't=IfNt(7)
[0029] (i)根據(jù)最大槽深和各槽導(dǎo)體數(shù)確定各槽的尺寸。
[0030] 原理簡述
[0031] 由電機學(xué)原理可知，若轉(zhuǎn)子表面勵磁電流線密度分布（勵磁安應(yīng)數(shù)沿圓周分布） 為余弦時，轉(zhuǎn)子磁勢沿圓周分布便為正弦。
[0032] 轉(zhuǎn)子磁勢沿圓周分布（單位為A):
(Al)
[0034]式中0為轉(zhuǎn)子表面圓周的角度坐標(biāo)，單位為（elec. )rad，磁極中性線處0 =0 ;A為轉(zhuǎn)子表面勵磁電流線密度分布，單位為A/rad。 !；〇〇對若；
[0036]A(白）=AmCOS0 〇\2)
[0037] 式中下標(biāo)m表示幅值。則
[0038]F(白）=AmSine (A3)
[0039] 此時每極磁勢總安應(yīng)為：
(A4)
[0041] 考慮到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特點，將轉(zhuǎn)子表面勵磁電流線密度在一個齒距內(nèi)的電流（單位 為A)集中安置于對應(yīng)齒距中屯、的槽中，如圖2所示。則前半極距的n個槽內(nèi)的電流為：
(A5) 陽043] 在關(guān)大齒中屯、對稱分布的化個槽中的勵磁電流，形成關(guān)大齒中屯、對稱的化+1段 非等高的磁勢階梯波，如圖3所示（例圖中n= 4)。則前半極距的n+1階梯的磁勢為（注 意：第一段的編號為0):
(A6)
[0045] 為了用該磁勢階梯波代替正弦波，令階梯波與正弦波的計算極弧系數(shù)相等：
[0047]半齒距角a可由W下方程解得：
(A8)
[0049] W計算極弧系數(shù)相等的方法確定半齒距角a的理論值，進而由式（A5)可確定各 槽電流的理論值，W改進氣隙磁勢波形，使其逼近正弦分布，減小諧波分量。由于各槽導(dǎo)體 數(shù)必須為整數(shù)，若勵磁電流為If,則實際各槽導(dǎo)體數(shù)為：
(A9、
[0051] 式中方括號表示四舍五入取整。
[0052] 修正后的各槽電流為：
[0053] 1'I=N山，i= 1,2，...n(AlO)
[0054] 修正后的各段階梯磁勢為：
《A,l_〇
[0056] 修正后的半齒距角a'可由W下方程解得：
(A12)
[0058]為：
IA13)
[0060] 每極勵磁繞組總應(yīng)數(shù)為： 巧：
[0061] % =Z'、 口 1 (A14)
[0062] 修正后的每極勵磁總安應(yīng)為：
[0063] F't=IfNt (Al5)
[0064] 根據(jù)最大槽深、各槽導(dǎo)體數(shù)和線徑確定各槽的尺寸，即各槽的深度和寬度可W不 同。
[0065] 本發(fā)明與常規(guī)技術(shù)相比，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點：
[0066] (1)從電磁性能角度分析，該方法的優(yōu)點是轉(zhuǎn)子齒距角可W根據(jù)需要變化，特別適 用于高速運行的中小型電機。它克服了常規(guī)電機轉(zhuǎn)子槽距數(shù)Zz'(轉(zhuǎn)子槽分度數(shù)）確定后， 小齒的槽距角不能改變，難W實現(xiàn)與正弦波極弧系數(shù)相等的缺點。另外，轉(zhuǎn)子勵磁繞組的各 槽導(dǎo)體數(shù)近似余弦分布，可W進一步改善磁場波形，能有效抑制諧波分量，降低轉(zhuǎn)矩脈動和 振動噪聲，減小鐵屯、損耗，提高電機效率。
[0067] 似從力學(xué)角度分析，與凸極同步電機轉(zhuǎn)子相比，多槽加槽模的隱極結(jié)構(gòu)，增加了 機械強度和剛度，減小了轉(zhuǎn)子外圓處的形變，使轉(zhuǎn)子安全運行的最高轉(zhuǎn)速顯著增加。
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