错位角度现场可调的双单元永磁同步电机及其调节方法与流程

本发明涉及永磁同步电机，具体涉及一种错位角度现场可调的双单元永磁同步电机及其调节方法。

背景技术：

1、在低速大扭矩直驱场景中，永磁同步电机因其高效率和高转矩密度得到广泛应用。由齿槽转矩引起的转矩脉动直接导致输出扭矩波动，引发设备抖动、轴承疲劳损伤甚至传动系统共振，严重威胁设备安全与使用寿命。

2、为削弱齿槽转矩和转矩脉动，现有技术已提出多种方案，主要包括：（一）错位安装方案，通过将转子内外层永磁体错位一定角度来减小齿槽转矩和转矩波动。但这种错位角度一经制造即被固定，属于典型的“开环”抑制方案，存在以下固有缺陷：无法应对加工装配环节引入的制造误差与累积公差、无法补偿永磁体材料性能分散性带来的个体差异、无法修正长期运行后轴承磨损、机械松动等导致的动态性能漂移；（二）斜槽/斜极方案，通过设置斜向齿槽产生斜极效果以降低齿槽转矩，以及采用定子斜槽法或转子斜极法削弱齿槽转矩。但斜槽/斜极技术同样存在角度固定、无法现场调节的局限，且其主要对高频谐波有效，对转矩脉动贡献最大的基波和低次谐波抑制能力有限。

3、综合来看，无论错位安装还是斜槽/斜极技术，其抑制角度均在制造或装配阶段一次性确定，缺乏从“振动诊断”到“靶向调节”的系统性现场闭环矫正方法。一旦电机出厂投入运行，错位角度即被永久固化，无法应对长期运行后的性能衰减和环境变化。

4、另外容错与脉动抑制的矛盾。目前多相电机虽具备一定容错能力，但在故障运行状态下，转矩脉动会剧烈恶化，难以保证平稳运行。

5、综上所述，现有技术亟待一种具备可现场调节能力、可实现现场闭环矫正的齿槽扭矩，并在故障运行状态下，保持平稳运行的技术方案。

技术实现思路

1、在发明旨在提供一种错位角度现场可调的双单元永磁同步电机及其调节方法，解决现有齿槽转矩抑制方案（包括错位安装、斜槽/斜极等）中错位角度一经制造即被固定、无法在总装完成后及运行全生命周期内进行现场调节的“开环”缺陷，无需拆卸端盖和抽出转子即可现场调节错位角度，实现齿槽转矩抑制效果从出厂即定到全生命周期按需可调。

2、采用的具体技术方案为：一种错位角度现场可调的双单元永磁同步电机，包括机壳或机座、转轴或固定空心轴、以及沿轴向设置于所述机壳或机座内的第一单元电机和第二单元电机；第一单元电机和第二单元电机各自独立地包括定子和永磁转子，并同轴设置于同一转轴或固定空心轴上；第一单元电机与第二单元电机之间设有可在电机总装完成后于安装现场进行调节的相对周向错位角度θn，错位角度θn用于抵消由齿槽转矩引起的目标阶次谐波；电机还设有胀紧联结套组件，具有锁紧状态和松开状态，处于松开状态时可对错位角度θn进行现场调节，调节至目标值后切换至锁紧状态；

3、端盖上对应胀紧联结套组件位置开设有操作窗口，并设有可拆卸密封盖板，通过操作窗口可松开或锁紧胀紧联结套组件，实现错位角度在无需拆卸端盖和转子的条件下的现场调节。

4、进一步的，错位角度θn由公式θn=180° / (n · lcm(z, 2p)) 确定，其中z为各单元电机定子的槽数，2p为各单元电机转子的极数，lcm表示取最小公倍数，n为需要抵消的谐波阶次，n为正整数；

5、公式同时适用于整数槽配合和分数槽配合。

6、进一步的，第一单元电机和/或第二单元电机内部设有斜槽或斜极结构，作为第一级抑制单元；

7、进一步的，斜槽或斜极的等效角度β与所述错位角度θn各自独立确定，两者构成“单元内粗抑制+单元间精抵消”的分级协同架构： 第一级（单元内）：斜槽/斜极主攻高频谐波，实现齿槽转矩的初步抑制；第二级（单元间）：错位角度靶向抵消基波和低次谐波（转矩脉动的主要贡献成分），实现精确抵消。

8、当电机采用内转子拓扑时：

9、两个定子固定于机壳内壁，第一永磁转子与转轴固定连接，第二永磁转子通过胀紧联结套组件套装于转轴上；端盖上对应胀紧套锁紧螺栓位置开设有操作窗口，并设有可拆卸密封盖板；转轴伸出端或机壳外部设有角度指示组件，用于读取和设定错位角度；转轴上设有轴向热补偿机构，用于吸收运行温升引起的转轴热伸长，维持错位角度恒定。

10、当电机采用外转子拓扑时：

11、包括分体式机座和固定空心轴，两个永磁转子均为钟罩形旋转壳体并同轴转动设置于固定空心轴外围；第一定子固定套装于固定空心轴上，第二定子通过所述胀紧联结套组件可调节地套装于固定空心轴上；端盖上对应紧固螺栓位置开设操作窗口；固定空心轴上套装有环形隔磁板，位于第一定子与第二定子相邻端面之间。

12、为解决外转子电机停机位置随机导致操作窗口无法对准的问题，本发明提供停机准停定位系统：

13、该系统包括固定于所述钟罩形旋转壳体上的凸轮、固定于静止部件上的接近开关、控制器及直流电源模块；

14、凸轮触发接近开关的预设角度位置线、操作窗口与紧固螺栓在空间对准的角度位置线、以及第二定子绕组通直流电时与转子永磁体产生最大磁引力时的角度位置线，三者重合于同一空间角度位置；

15、当需要停机调节时，所述控制器在收到停机指令后将电机降至爬行速度，响应于所述接近开关的触发信号，向第二定子绕组注入直流电流，利用磁引力将外转子总成定位至所述预设角度，使所述操作窗口与所述紧固螺栓自动对准。

16、本发明还提供一种上述电机的错位角度现场调节方法，所述方法在电机总装完成后于安装现场执行，包括以下步骤：

17、s1.现场振动诊断：在电机实际安装现场，通过安装于转轴或机壳上的振动传感器和/或扭矩传感器采集电机运行时的动态信号；

18、s2.谐波溯源分析：通过对采集的动态信号进行快速傅里叶变换频谱分析，识别出导致振动的主要谐波阶次n；

19、s3.靶向角度计算：依据公式θn=180°/(n · lcm(z, 2p)) 计算目标错位角度θn；

20、s4.现场执行调节：通过所述胀紧联结套组件和所述操作窗口，将第一单元电机与第二单元电机之间的错位角度调节至目标值θn，全过程无需拆卸端盖和抽出转子；

21、所述方法将所述错位角度从制造阶段的“一次性固定”转变为运行全生命周期的“按需可调”，实现齿槽扭矩抑制效果的持续最优。

22、进一步的，两个定子绕组的引出端设有第二引出端组，第二引出端组用于发电机工况下的串联连接：两个定子绕组通过所述第二引出端组串联后接入同一整流/并网单元，串联总输出电压为两单元电动势的矢量叠加。

23、进一步的，还包含容错运行机制，正常工况下两单元联合出力。当任一单元发生故障时，控制系统立即切断故障单元供电，仅由健康单元单独驱动。此时，故障单元虽已断电，但其永磁转子仍随转子组件一同旋转，由于两段转子预先错开θ0角度，断电单元永磁体产生的齿槽转矩波形与通电单元的齿槽转矩波形相位相反，对后者形成被动式抵消。

24、关于信号采集与频谱分析设备的说明：

25、本发明中步骤s1所述的动态信号采集，可采用压电式加速度计、mems加速度计或磁电式速度传感器吸附或螺纹连接于电机机壳、端盖或转轴伸出端。步骤s2所述的快速傅里叶变换频谱分析，其功能可由多种形式的数字处理设备实现。作为优选实施方式，可采用内置数字信号处理器（dsp）的便携式振动分析仪，上述仪器通过外接或内置的加速度计实时采集振动信号，并经由仪器内部的fft分析模块将时域波形转换为频域频谱，自动识别并显示主要振动频率及对应的谐波阶次n。亦可采用连接数据采集卡的笔记本电脑配合matlab或labview等分析软件，或采用电机在线监测系统中集成的嵌入式fft分析模块。上述各种实现方式均为本领域公知技术，本领域技术人员可根据现场条件和成本需求灵活选择，均不构成对本发明的限制。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

27、1.通过胀紧联结套组件配合端盖操作窗口设计，使错位角度可在电机总装完成后乃至现场运行多年的任何时刻进行调节，全过程无需拆卸端盖和抽出沉重转子。维护时间从传统方案的数天（返厂大修）缩短至小时级（现场作业），实现了齿槽扭矩抑制效果从“出厂即定、衰减即废”到“全生命周期按需可调、持续最优”的转变。

28、2.通过“斜槽/斜极（单元内粗抑制，主攻高频谐波）+ 错位角度（单元间精抵消，靶向基波和低次谐波）”的分级协同架构，两者解耦协同，可使总转矩脉动降至单一抑制方案的1/5以下，从根本上解决了齿槽扭矩引起的振动和噪声问题。

29、3.通过设计覆盖整数槽与分数槽配合的统一谐波消除公式θn=180°/(n · lcm(z, 2p))，并配套系统性的“振动诊断→谐波溯源→靶向计算→现场调节”四步闭环矫正方法，使齿槽扭矩抑制更加精准的计算。

30、4.通过凸轮+接近开关+电磁定位机制，彻底解决了外转子电机停机位置随机、操作窗口无法对准的行业难题，使外转子拓扑的大扭矩直驱电机首次具备现场可维护性。

31、5.通过碟形弹簧组补偿轴向热膨胀，维持错位角度在全温域范围内的稳定性；通过环形隔磁板阻断轴向漏磁，降低端部发热，提高效率；通过蜗轮蜗杆机构具备自锁功能，防止调节到位后意外回转；通过螺旋形柔性缓冲段+耐磨衬套保护引出线，避免频繁调节中的绝缘磨损。系统性能更加可靠。

32、6.本发明既可采用内转子拓扑，也可采用外转子拓扑；既支持整数槽配合，也支持分数槽配合；既可作为电动机运行，也可作为发电机运行，适用性更强。

33、7.容错－抑振协同机制。单个单元故障运行时，断电单元的永磁转子仍作为“被动滤波器”发挥齿槽转矩抵消作用，使故障后转矩脉动远低于传统冗余方案。