弱化振动的永磁电机磁极结构及其设计方法、验证方法和减振原理

本发明涉及永磁电机磁极结构，尤其是一种弱化振动的永磁电机磁极结构及其设计方法、验证方法和减振原理。

背景技术：

1、永磁电机具有高功率密度、高效率、结构简单、运行可靠和控制灵活等诸多优点，在各行各业中得到了广泛应用。

2、电机振动是影响永磁电机性能表现的重要因素。

3、近年来，电机振动问题获得了越来越多的关注。在工业领域，电机振动会降低设备精度，影响设备的可靠性；在民生领域，电机振动会使人产生不适感，影响生活质量和降低工作效率，增大患病风险；在军事领域，电机振动会影响装备的隐蔽性，影响武器装备在战争中的生存能力。如何抑制电机振动是一个难题，也是未来高性能永磁电机的发展重要方向。

技术实现思路

1、本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种弱化振动的永磁电机磁极结构及其设计方法、验证方法和减振原理，利用磁极表面的槽，增大三次谐波磁密和五次谐波磁密，进而抑制电机的二倍频振动。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种弱化振动的永磁电机磁极结构，包括若干磁极本体，磁极本体的内壁、外壁分别开槽，用于增大三次谐波磁密和五次谐波磁密，

4、磁极本体的内壁中线位置开设一个槽，

5、磁极本体的外壁阵列开设若干槽，以位于外壁中间的槽为基准，其他槽对称设置在两侧。

6、磁极本体的外壁上开设第一槽、第二槽、第三槽，第一槽位于中间位置。

7、所述第二槽距磁极中心线的角度为α，α＝360/5倍的磁极本体个数。

8、所开的槽尺寸越大，增大谐波磁密的效果越好。

9、一种设计弱化振动的永磁电机磁极结构的方法，包括如下步骤：

10、考虑到气隙磁密7次及以上谐波磁密幅值小，因此针对三次谐波和五次谐波进行减振设计，

11、增大磁密3rd，观测到合成的总磁密波形中间会凹陷；如果增大磁密5th，观测到合成的总磁密波形会在距中心1/5处出现两处凹陷，

12、由于永磁体是产生磁密的源头，在永磁体表面进行开槽，即能增大谐波磁密；因此设计出一种在总磁密波形凹陷位置带有槽的永磁体。

13、获得表贴式电机气隙磁场的表达式的过程如下：

14、假设定子上无槽，电机永磁体产生的气隙磁场可以展开为周向坐标θ的傅里叶级数形式，

15、永磁电机的电频率fe为

16、

17、其中n1为电机转速，p为电机极对数，

18、根据磁极周期性，径向磁密的傅里叶级数中将只包含奇数项，无槽情况下的空载气隙磁场表示为

19、

20、式中br为径向磁密，br-mag为径向磁密幅值，θ为电角度，fe为电频率，t为时间，k为1，2，3……

21、径向磁密既是时间的函数，又是空间位置的函数；对径向表贴式磁极产生的气隙磁密进行傅里叶变换，发现其主要阶次为p,3p,5p…(4k-3)p，(4k-3)p并且各奇数次谐波之间的相位角相差π，

22、根据maxwell张量法，径向电磁力波密度表示为

23、

24、由maxwell张量法，径向力是由径向磁密的平方产生，

25、

26、

27、由积化和差公式可知，maxwell张量法公式中平方项的结果不仅受磁密幅值的影响，并且也受磁密相位角的影响，

28、

29、

30、

31、由br1自身产生的2fe电磁力相位为0，而br1和br3产生的2fe电磁力相位为π，同样地，(4k-3)p次磁密谐波与(4k-1)p次磁密谐波产生的2fe电磁力相位也为π，

32、二倍频电磁力(2fe)由p次磁密自身产生，(4k-3)p次谐波与(4k-1)p次谐波磁密产生，并且二者之间相位相差π；br1和br3产生的2fe电磁力与br1自身产生的2fe电磁力方向相反，即br1和br3产生的2fe电磁力能够抵消br1产生的2fe电磁力；也就是说增大磁密谐波中奇数次谐波(3p,5p…)的幅值，能够抑制p次磁密产生的电磁力，从而达到抑制电机振动的目的，

33、依据上述分析增大三次磁密谐波和五次磁密谐波，即能抑制电机振动。

34、一种验证弱化振动的永磁电机磁极结构的方法，包括如下步骤：

35、已经开槽的磁极中心处，3rd磁密和5th磁密幅值相反，两者互相排斥；

36、如果单独采用磁极内凹面设置凹槽的结构，即增大3rd磁密的结构，合成的总磁密波形中间会凹陷，5th磁密便会被削弱；

37、如果单独采用磁极外凸面设置凹槽的结构，即增大5th磁密的结构，合成的总磁密波形会在距中心1/5处出现两处凹陷，3rd磁密便会被削弱；

38、因此需要组合使用增大3rd磁密的结构和增大5th磁密的结构，即内凹面、外凸面均带有凹槽的磁极，才能使3rd磁密和5th磁密都增大，实现减振。

39、一种利用永磁电机磁极结构的弱化振动方法，减振原理为：在磁极内外两侧开槽，同时增大了三次谐波磁密和五次谐波磁密，两种波形的同时增大能够有效抑制电机的二倍频振动；所开槽的尺寸越大，谐波磁密的增大效果越明显，抑制振动的效果越明显。

40、本发明的有益效果如下：

41、本申请公开了一种弱化振动的永磁电机磁极结构，该磁极结构在磁极表面增加四个槽，同时增大了三次谐波磁密和五次谐波磁密。已有研究结果表明，增大三次谐波磁密和五次谐波磁密可以抑制电机的二倍频振动。因此，本发明的磁极结构通过增大三次和五次谐波磁密，实现了对电机振动的抑制。并且本发明的磁极结构简单，易于实施。

技术特征：

1.一种弱化振动的永磁电机磁极结构，包括若干磁极本体(1)，其特征在于：磁极本体(1)的内壁、外壁分别开槽，用于增大三次谐波磁密和五次谐波磁密，

2.如权利要求1所述的弱化振动的永磁电机磁极结构，其特征在于：磁极本体(1)的外壁上开设第一槽(101)、第二槽102、第三槽(103)，第一槽(101)位于中间位置。

3.如权利要求2所述的弱化振动的永磁电机磁极结构，其特征在于：所述第二槽102距磁极中心线的角度为α，α＝360/5倍的磁极本体(1)个数。

4.如权利要求1所述的弱化振动的永磁电机磁极结构，其特征在于：所开的槽尺寸越大，增大谐波磁密的效果越好。

5.一种设计权利要求1所述弱化振动的永磁电机磁极结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.如权利要求5所述的设计方法，其特征在于，获得表贴式电机气隙磁场的表达式的过程如下：

7.一种验证权利要求1所述弱化振动的永磁电机磁极结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.一种利用权利要求1所述弱化振动的永磁电机磁极结构的弱化振动方法，其特征在于，减振原理为：在磁极内外两侧开槽，同时增大了三次谐波磁密和五次谐波磁密，两种波形的同时增大能够有效抑制电机的二倍频振动；所开槽的尺寸越大，谐波磁密的增大效果越明显，抑制振动的效果越明显。

技术总结本发明属于永磁电机领域。公开了一种弱化振动的永磁电机磁极结构及其弱化振动方法，其技术方案采用表贴式永磁电机磁极结构。该结构包括改进后的磁极结构。所述改进后磁极结构的上表面有三个凹槽、下表面有一个凹槽。对于含有n个磁极的永磁电机转子，每个磁极具有相同的结构。与传统表贴式永磁电机磁极结构相比，该结构增大了三次谐波磁密和五次谐波磁密，有效抑制了电机振动，提高了电机性能。技术研发人员：王新邦,谭强,刘显荣,李静受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29