一种磁极正弦且凸极不对称的转子、电机及优化方法

本发明属于永磁电机，尤其涉及一种磁极正弦且凸极不对称的转子、电机及优化方法。

背景技术：

1、第三次能源革命致力于实现清洁、可再生能源的广泛应用，其中高性能电机作为推动能源生产和使用模式转型的关键技术备受关注。目前高性能电机的研究从转矩成分的角度考虑主要有以下几类：隐极式永磁电机、凸极式永磁电机和磁阻电机。其中，凸极式永磁电机由于凸极效应而产生磁阻转矩，相较于隐极式永磁电机，凸极式永磁电机可利用较少的永磁体产生较高的输出转矩，具有较大的功率密度和较好的弱磁调速能力；相较于磁阻电机，凸极式永磁电机结构中含有永磁体，拥有较高功率密度和较高的效率。

2、由于良好的转矩密度、高效率、宽恒功率运行速度范围和高转子稳健性，凸极电机在许多应用中引起研究者的兴趣，包括电动汽车、电动飞机和直升机、船舶推进装置和航空航天应用。更值得一提的是，凸极电机利用转子凸极产生的磁阻转矩来提高转矩密度，而无需使用额外的永磁体。

3、目前凸极电机包含许多传统转子拓扑，例如条形、v形、delta形、双v形，以及辐条型转子结构，此外，多层转子拓扑也得到了广泛的研究。在凸极永磁电机中，电磁转矩有两部分来源，一是由永磁体产生的永磁转矩，二是由电机凸极效应产生的磁阻转矩。在传统的凸极永磁电机设计中，电机具有对称转子结构，使得永磁转矩和磁阻转矩最大值所在的电流相位角总是相差45度，两种转矩成分无法充分利用。以永磁转矩与磁阻转矩标幺值为1为例，传统设计中永磁和磁阻转矩1+1约等于1.76左右，两种转矩没有实现最大化利用，转矩特性还有较大的优化空间。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种磁极正弦且凸极不对称的转子、电机及优化方法，提出的组合正弦磁极包括多个扇形永磁体，多个扇形永磁体的角度设计遵循正弦波脉冲宽度调制投影规律，组合正弦磁极的永磁体分块有助于降低永磁体涡流损耗，按正弦波调制的永磁体正弦化设计能够有效地降低气隙磁密和反电动势谐波。

2、为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种磁极正弦且凸极不对称的转子。

4、一种磁极正弦且凸极不对称的转子，包括端盘，所述端盘上均匀设置有多组组合正弦磁极，相邻的组合正弦磁极充磁方向相反，每一所述组合正弦磁极均包括不同张角的多个扇形永磁体，相邻的扇形永磁体之间间隔设定角度的气隙，多个扇形永磁体的角度设计遵循正弦波脉冲宽度调制投影规律。

5、可选的，每一组合正弦磁极的多个所述扇形永磁体整体沿端盘的周侧分布，每一所述扇形永磁铁沿端盘的径向设置。

6、可选的，每一所述组合正弦磁极的一侧紧贴设置有凸极，所述凸极采用取向硅钢片叠加而成，所述取向硅钢片沿端盘轴向方向轧制，所述凸极的形状为扇形。

7、可选的，每一所述组合正弦磁极的多个扇形永磁体按张角从小到大，再从大到小的规律排序。

8、本发明第二方面提供了一种电机。

9、一种电机，包括定子和第一方面所述磁极正弦且凸极不对称的转子，所述磁极正弦且凸极不对称的转子设置于定子两侧，所述定子包括模块化铁心以及绕制在模块化铁心上的分数槽分布绕组。

10、可选的，所述模块化铁心采用工字型结构，为取向硅钢片叠加而成。

11、可选的，所述分数槽分布绕组采用双层绕组设计。

12、本发明第三方面提供了一种电机的优化方法。

13、一种电机的优化方法，包括以下步骤：

14、以组合正弦磁极中各个永磁体的扇形角度和厚度、以及凸极角度和厚度为优化变量，以平均转矩、转矩脉动和反电动势谐波率作为优化目标；

15、利用解析法获得优化变量与优化目标的数学关系；

16、采用基于杂交的混合粒子群算法对电机性能进行全局优化，得到最优的各个永磁体扇形角度和厚度、最优的凸极角度和厚度参数。

17、可选的，引入权重系数λ建立优化目标函数，具体为:

18、

19、式中，xi为优化变量，f(xi)为优化变量xi变化时所对应的优化目标函数值，i＝1，2，3…；tav0、tr0、ethd0分别为平均转矩、转矩脉动和反电动势谐波率的初始值，tav(xi)、tr(xi)、ethd(xi)分别为优化变量xi所对应的平均转矩、转矩脉动和反电动势谐波率，λ1、λ2、λ3分别为平均转矩、转矩脉动和反电动势谐波率的权重系数，且满足λ1+λ2+λ3＝1。

20、可选的，还包括：

21、将最优的各个永磁体扇形角度和厚度、最优的凸极角度和厚度参数代入到有限元模型中进行仿真分析，将有限元仿真结果与解析法计算结果进行对比验证；

22、采用冻结磁导率法分离非对称凸极轴向磁通电机的磁阻转矩和永磁转矩，验证两种转矩是否在相同电流相位角处实现最大值的叠加，完成性能校验。

23、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

24、(1)本发明提供了一种磁极正弦且凸极不对称的转子、电机及优化方法，设计了一种组合正弦磁极，每一组合正弦磁极均包括不同张角的多个扇形永磁体，相邻的扇形永磁体之间间隔设定角度的气隙，组合正弦磁极的永磁体分块有助于降低永磁体涡流损耗，按正弦波调制的永磁体正弦化设计能够有效地降低气隙磁密和反电动势谐波，同时，由于所提出的组合正弦磁极会产生接近正弦的反电动势，从而降低电机中的转矩脉动，降低电机振动噪声；且消除谐波的同时减少了电机铁损，有助于电机保持高效率运行。

25、(2)本发明的一种基于磁极正弦且凸极不对称转子的电机，通过设计紧贴组合正弦磁极的凸极，产生磁阻转矩的同时，形成非对称凸极使转子磁链产生偏移，进而对转矩分量的相位产生影响，实现永磁、磁阻两种转矩成分在相同电流相位角处取得最大值的设计目标，实现磁阻转矩和永磁转矩的充分利用，提升电机转矩密度。

26、(3)本发明的电机，定子铁心和转子凸极采用高性能取向硅钢片，同等条件下相比于传统无取向硅钢片成本更低、损耗更小。

27、(4)本发明的电机，分数槽分布绕组通过绕组合理排列形成正弦度较高的磁动势，可以削弱磁极磁场非正弦分布产生的高次谐波电势；并且能有效削弱齿谐波电势幅值，改善电动势波形；缓解气隙磁导率变化引起的各磁极磁通的脉冲幅度，有利于电机高品质运行。

28、(5)本发明提出的非对称凸极轴向磁通电机的优化方案，通过解析法和杂交的混合粒子群算法相结合的全局多目标化优化方法，相比于传统三维有限元计算可有效减少计算时间和上位机内存需求。所提出的优化方案既可使气隙磁密波形和电机反电动势趋向正弦化，在保证较高电磁转矩的同时降低转矩脉动，又可保障磁阻转矩和永磁转矩在相同电流相位角处实现最大值的叠加，发挥非对称凸极轴向磁通电机的稳定性能。

29、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种磁极正弦且凸极不对称的转子，其特征在于，包括端盘，所述端盘上均匀设置有多组组合正弦磁极，相邻的组合正弦磁极充磁方向相反，每一所述组合正弦磁极均包括不同张角的多个扇形永磁体，相邻的扇形永磁体之间间隔设定角度的气隙，多个扇形永磁体的角度设计遵循正弦波脉冲宽度调制投影规律。

2.如权利要求1所述的磁极正弦且凸极不对称的转子，其特征在于，每一组合正弦磁极的多个所述扇形永磁体整体沿端盘的周侧分布，每一所述扇形永磁铁沿端盘的径向设置。

3.如权利要求1所述的磁极正弦且凸极不对称的转子，其特征在于，每一所述组合正弦磁极的一侧紧贴设置有凸极，所述凸极采用取向硅钢片叠加而成，所述取向硅钢片沿端盘轴向方向轧制，所述凸极的形状为扇形。

4.如权利要求1所述的磁极正弦且凸极不对称的转子，其特征在于，每一所述组合正弦磁极的多个扇形永磁体按张角从小到大，再从大到小的规律排序。

5.一种电机，其特征在于，包括定子和权利要求1-4任一项所述的磁极正弦且凸极不对称的转子，所述磁极正弦且凸极不对称的转子设置于定子两侧，所述定子包括模块化铁心以及绕制在模块化铁心上的分数槽分布绕组。

6.如权利要求5所述的电机，其特征在于，所述模块化铁心采用工字型结构，为取向硅钢片叠加而成。

7.如权利要求5所述的电机，其特征在于，所述分数槽分布绕组采用双层绕组设计。

8.一种电机的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的电机的优化方法，其特征在于，引入权重系数λ建立优化目标函数，具体为:

10.如权利要求8所述的电机的优化方法，其特征在于，还包括：

技术总结本发明提出了一种磁极正弦且凸极不对称的转子、电机及优化方法，涉及技术领域。其中的磁极正弦且凸极不对称的转子，包括端盘，所述端盘上均匀设置有多组组合正弦磁极，相邻的组合正弦磁极充磁方向相反，每一所述组合正弦磁极均包括不同张角的多个扇形永磁体，相邻的扇形永磁体之间间隔设定角度的气隙，多个扇形永磁体的角度设计遵循正弦波脉冲宽度调制投影规律。本发明提出的组合正弦磁极包括多个扇形永磁体，多个扇形永磁体的角度设计遵循正弦波脉冲宽度调制投影规律，组合正弦磁极的永磁体分块有助于降低永磁体涡流损耗，按正弦波调制的永磁体正弦化设计能够有效地降低气隙磁密和反电动势谐波。技术研发人员：赵文良,刁成武,徐高扬,陈德志,王秀和受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25