技术领域
[0001] 本发明涉及永磁同步电机结构技术领域，特别是涉及一种基于偏心磁极结构的外转子永磁同步轮毂电机优化设计方法。
相关背景技术
[0002] 传统能源如石油煤炭有限，全车电气化，被认为是未来全球汽车工业发展的方向。在车用电机类型中，轮毂电机又因为其系统效率更高、控制精度更好、便于优化、汽车底盘设计自由度较高等优点成为车用电机发展的潮流。永磁同步电机的高效性、高功率密度、高稳定性被广泛应用于轮毂电机。
[0003] 随着对电动汽车NVH性能要求的不断提高，电机振动噪声水平已成为影响其在市场上竞争的重要因素。电机运行过程中会产生交变径向电磁力并作用在定子铁心上，从而使定子铁心及相关机械部件产生电磁振动，向空气中辐射电磁噪声。电磁振动噪声是电机振动噪声的重要来源，因此削弱电机电磁振动噪声对提高电机性能具有重要意义。
[0004] 表贴式永磁同步电机(SPM)将磁钢贴于转子铁芯表面，通过在磁钢表面套设不锈钢套或者缠绕碳纤维等来加固磁钢，使其不受离心力影响而失效，表贴式永磁同步电机因其高效率、高过载能力、高动态响应速度等优点在各领域得到广泛的应用。
[0005] 由于电机电磁振动和噪声的主要诱因是径向电磁力，径向电磁力是由转子永磁磁场和定子电枢反应磁场相互作用产生的，因此，需要对电机的磁路结构进行优化。
具体实施方式
[0042] 以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0043] 图1示出了本发明的基于偏心磁极结构的外转子永磁同步电机优化设计方法的一种实施方式，永磁同步电机包含定子、转子、转轴，定子、转子和转轴同轴设置，定子包括定子铁芯和定子绕组，转子包括转子铁芯和永磁体。本实施例中，定子绕组沿圆周等间隔均匀分布，优选地设有36个，相邻两个定子绕组形成平行间隙。永磁体沿圆周等间隔均匀分布，优选地设有10个。
[0044] 本发明基于偏心磁极结构的外转子永磁同步电机优化设计方法，包括以下内容：
[0045] (1)内定子外转子结构
[0046] 本实施例中，转子在外，定子在内，表贴式的磁极结构，瓦片形永磁体粘贴于转子的内表面。永磁体采用不等厚的永磁体，永磁体厚度两侧对称且呈正弦趋势变换。
[0047] 本实施例中，定子绕组的结构为分数槽集中绕组，感应电动势角度槽内线圈是有效的，端部线圈是无效的，采用这种方式可以缩短绕组端部长度、降低铜耗，得到更加正弦的磁动势分布和电动势波形，能够提高功率密度和转矩，同时减小齿槽转矩和转矩脉动。
[0048] 本发明的永磁同步电机设计原理为：
[0049] 电机设计的有效材料利用系数公式为：
[0050]
[0051] 其中，KA为电机材料的利用系数；P为电机的功率；D为电机电枢直径；La为电机铁心长度
[0052] 公式(1)表明，电机的电枢直径与电机的功率成正比，即在相同的电机体积情况下，外转子式轮毂电机的气隙直径大于内转子式，有利于提高电机的转矩密度和功率密度，尤其是用于电动汽车驱动用轮毂电机，能够更加有效的利用车轮轮辋内有限的空间。从机械结构上讲，内定子外转子结构的轮毂电机，可直接将电机的一侧端面与车轮轮辋固定连接，能够简化机械结构，省掉了减速机构，提高动力传动效率。
[0053] 本实施例中，转子的磁路结构为永磁体位于转子铁芯表面，采用表贴式结构可以简化制造工艺、降低成本、减小漏磁。对于外转子结构的永磁轮毂电机，由于汽车轮辋内空间的限制以及为了提高电机的转矩密度和功率密度，基于公式(1)的理论计算，选用永磁体表贴式的转子磁路结构。
[0054] (2)偏心转子结构
[0055] 图2(a)为不偏心时转子结构图，图2(b)为偏心时转子结构图。永磁体的充磁方式有平行充磁和径向充磁两种，相对于径向充磁方式，平行充磁时的气隙磁通和气隙磁场谐波含量都略高，且随着极数的增加，气隙磁通相差越明显。针对不同充磁方式的永磁同步电机，其偏心磁极优化设计方法相同。
[0056] 如图3，O为永磁体外表面不偏心时所对应的圆心，O1为偏心时磁极所对应得圆心，线段OO1的长度h则表示永磁体外表面的偏心距，在θ＝0处永磁体厚度最大为hm，往两端永磁体厚度逐渐减小；偏心距h增大时，永磁体两端厚度减小。永磁体平行充磁方向(AC)的厚度H(θ)和径向充磁方向(AB)的厚度Hr(θ)都随位置角θ变化。
[0057] 如图3、4所示的永磁体偏心结构图，永磁体径向充磁时的磁化厚度可表示为：
[0058]
[0059] 其中，R1为转子铁芯外半径，h为偏心距，θ为OA与永磁体中心线的夹角，OA为永磁体径向充磁时其中一条磁力线，hm表示未偏心时永磁体最大厚度。
[0060] 平行充磁时的磁化厚度可表示为：
[0061]
[0062] 在假设电枢铁心材料磁导率无穷大，永磁体材料磁导率与空气磁导率相同，忽略开槽和漏磁的影响的情况下，表贴式PMSM气隙磁通密度表示为：
[0063]
[0064] 式中，μ0为空气磁导率，Hc为永磁体矫顽力，g为气隙间隔，H为永磁体磁化方向的厚度。
[0065] 根据公式(2)、(3)、(4)可得到偏心磁极平行充磁时，气隙磁通密度的解析表达式：
[0066]
[0067] 径向充磁时，气隙磁通密度表达式为：
[0068]
[0069] 例如，如图3中，O永磁体外表面不偏心时所对应的圆心，O1为偏心时磁极所对应得圆心，线段OO1的长度h则表示永磁体外表面的偏心距，在θ＝0处永磁体厚度最大为hm，往两端永磁体厚度逐渐减小；偏心距h增大时，永磁体两端厚度减小。永磁体平行充磁方向(AC)的厚度H(θ)和径向充磁方向(AB)的厚度Hr(θ)都随位置角θ变化。h应小于转子内径150mm。
[0070] 更进一步地，本实施例中在设计轮毂永磁同步电机时，永磁体厚度的确定取决于电机的具体设计要求、永磁材料的特性以及磁路的设计。永磁体厚度初始计算的步骤如下：
[0071] S1，按照常规设计方法确定电机的基本设计参数和性能要求，如输出功率(P)、额定转速(n)、磁通密度(B)、轮毂直径(D)等；
[0072] S2，按照常规设计方法选择永磁体材料，并确定永磁体最大磁能积(BHmax)，例如本3
实施例中采用钕铁硼，磁能积在40～80kJ/m之间。
[0073] S3，计算磁通量(Φ)：
[0074]
[0075] 其中， 是电机的磁链系数，反映了电机转子上的磁通量和定子绕组的磁链之间的关系，可以通过磁路分析方法或有限元仿真计算，通常选择在0.7到1.2之间。
[0076] S4，本实施例中永磁体截面积(Am)的计算公式为：
[0077]
[0078] 其中，Bm是永磁体的磁通密度，本实施例中设为磁饱和时的磁密度，约为1.2T。
[0079] S5，本实施例中永磁体长度(Lm)根据磁路设计和永磁体形状确定，与常规设计中相同。
[0080] S6，永磁体体积(Vm)的计算公式为：
[0081] Vm＝Am×Lm
[0082] S7，永磁体厚度最大hm的计算公式为：
[0083]
[0084] 由此可以计算出永磁体的厚度，然后根据实际制造、安装以及性能的要求进行调整和优化。需要注意考虑永磁体的磁饱和效应、温度效应以及磁路的设计等因素，以确保计算得到的永磁体厚度满足电机的性能要求。
[0085] 齿槽转矩发生在电机高速运转的过程中。当电机转子以一定的速度旋转，其内部永磁体产生的强大磁场会在电枢铁芯上形成一种沿轴心方向的力场，这个力称为齿槽转矩。这股力量通常表现为围绕电机圆周边缘的切向力，它对电机的稳定运行有着重要影响。为了更好地理解和分析齿槽转矩，可以通过计算未通电时磁共能W的变化以及位置角α的负导数来进行表征：
[0086]
[0087] 式中，Tcog为齿槽转矩；W为磁场能量；α为永磁体某一磁极中心线与对应定子齿中心线的夹角。
[0088] 当电枢铁芯磁导比例远远高于永磁体磁导的比例时，假设电机中所有磁路上的磁场能量是通过将永磁体的电磁能量与气隙内的电磁场磁能进行叠加计算得出的，并用简单的数学公式来描述整个电机系统的磁通分布和总能量特性：
[0089] W＝Wairgap+WPM
[0090] 式中：Wairgap为气隙内分布磁场能量；WPM为永磁体内分布磁场能量。
[0091] 在对电机的磁场能量进行计算时，主要聚焦于能够引起齿槽转矩效应的因素。当转子位置发生变化时，由于永磁体的磁场分布不会发生变化，因此其所含的磁场能量将保持恒定，而齿槽转矩则会降至零水平。进一步分析可知，永磁电机的内部磁场能量和气隙磁场能量是相等且数量相同的，共同决定了整个电机系统中磁场的总能量状态W：
[0092]
[0093] 式中：B为气隙磁密；V为气隙体积；μo为真空磁导率。
[0094] 其中，B随固定位置角θ和相对位置角α改变，沿电枢表层的分布为：
[0095]
[0096] 式中，Br(θ)为沿圆周分布的永磁体剩磁；δ(θ,α)为气隙长度；hm(θ)为沿充磁分布方向的永磁体厚度分布。总能量状态可表示为：
[0097]
[0098] 将 和 以傅里叶变化，进一步推导。
[0099] 沿圆周的分布在[‑π/2p,π/2p]的傅里叶展开式为:
[0100]
[0101] 其中，Br0，Brn(θ)为 的傅里叶分解系数，αp为极弧系数；p为极对数。
[0102] 相对气隙磁导平方 在[‑π/z,π/z]内进行傅里叶展开为：
[0103]
[0104] 其中：G0，Gn为相对气隙磁导平方的傅里叶分解系数：
[0105]
[0106] 其中，z为电枢槽数；δ为等效气隙有效长度；hm为永磁体充磁分布方向有效厚度；θs为定子槽口有效宽度与之对应的弧度数值。
[0107] 忽略斜槽作用效应，齿槽转矩为：
[0108]
[0109] 式中，LFe为电枢铁芯轴向长度；R1为电枢外径；R2为定子扼内径；n为使nz/2p为整数的整数；
[0110] 通过虚位移法推导的永磁同步轮毂电机中齿槽转矩的解析公式，得到影响齿槽转矩的因素。从这个公式中可以得到，不均匀的磁极厚度会导致齿槽转矩的波动，进而影响电机的振动噪声。
[0111] 通过有限元仿真，得到偏心距由0‑150mm时电机输出转矩。当偏心距大于100mm时，电机不能达到额定输出转矩，因此从0‑100mm范围进行更详细的选取，具体参数如表1.[0112] 表1偏心距参数及对应输出转矩
[0113] 偏心距/mm 输出转矩/N·m 偏心距/mm 输出转矩/N·m0 193.9 80 191.6
10 194.1 90 191.1
20 193.4 100 191.4
30 192.7 110 190.3
40 192.1 120 190.5
50 193.1 130 190.1
60 192.6 140 189.7
70 192.1 150 189.3
[0114] 将偏心距h做参数化扫描，从0到100mm，步长10mm共11步，仿真得到不同偏心距时齿槽转矩和径向电磁力密度幅值。当偏心距范围为80‑100mm时，两者均在此范围内随着偏心距的增加而先增加后减少。因此选取转折点附近80‑100mm作为详细优化范围。当偏心距为92mm时，齿槽转矩峰峰值最小为62.09mN·m，此时的齿槽转矩波动也得到明显抑制；电机2
的径向电磁力密度达到最小值0.5510N·mm。
[0115] 图4为偏心前后齿槽转矩波形图，由于磁极的偏心，使齿槽转矩峰峰值和波动减小。
[0116] 图5为偏心前后输出转矩波形图，由于磁极的偏心，在保证额定输出转矩的前提下，减小了输出转矩脉动。
[0117] 图6(a)和(b)为偏心前后A加权声压级曲线图，电机噪声得到削弱。
[0118] 上述实施案例只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
