CN112421919A - 基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法及电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法及电机，属于永磁电机技术领域，方法包括：根据设计目标中各次绕组谐波vth的参数计算产生正反电势所需要的各次气隙工作磁场Bgv的初始相位Bgv；分别以产生Bgv、使Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大为设计目标，计算相应的各次磁导谐波的相位θmv和极弧系数αv；根据θmv和αv设计各次磁导谐波对应的调制齿的个数、位置以及沿圆周方向的长度，使得生成的磁导模型与S2中设计所得到的各次磁导谐波的相位θmv一致；对各次磁导谐波对应的调制齿的径向尺寸进行优化，使得各次气隙工作磁场Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大。实现电机调制齿阵列的定向构造，电机能够产生多工作磁场，有效提升其转矩输出能力。

Description

基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法及电机
技术领域
本发明属于永磁电机技术领域，更具体地，涉及一种基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法及电机。
背景技术
自19世纪第一台电机问世以来，电机已成为支撑人类现代社会不可或缺的工业门类。从大到单机容量数千兆瓦的水轮发电机，到小至几个微瓦的微特电机，电机广泛应用在国民经济的各个方面。随着交替电气化浪潮高涨，工业机器人、芯片制造、数控机床等制造业持续发展，电机扮演着更加重要的作用，同时也对电机的转矩密度、响应速度、转矩脉动等性能品质提出更高的要求。其中，高转矩密度一直是电机发展的主要目标，其对于缩减驱动系统体积、成本、提升响应速度等都具有重要的意义。
传统电机普遍依靠单一工作磁场实现转矩的产生，转矩密度的提升受到材料性能的限制。游标永磁电机与传统电机结构相似，但其基于磁场调制原理，利用两个工作磁场进行机电能量转化产生转矩，因此获得更大的转矩密度。但是，目前在设计电机时，电机中永磁体转子、定子、电枢绕组等结构的设计一直拘泥于传统的拓扑结构框架中，性能的改善需要通过结构参数的反复优化来实现，设计过程无规律，存在很强的偶然性，很难实现电机的拓扑创新、转矩密度的提升。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法及电机，其目的在于结合绕组谐波特征和目标工作磁场的初始相位、极弧系数等参量，定量设计电机调制齿阵列的几何尺寸，实现各次磁导谐波相位与给定值一致，并通过进一步结构优化实现有效工作磁场最大化，从而解决现有技术中永磁电机定性设计无规律、很难实现电机拓扑创新、转矩密度提升的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法，所述永磁电机包括缠绕有绕组的定子、永磁体阵列、转子以及调制齿阵列，方法包括：S1，根据设计目标中各次绕组谐波vth的绕组系数kwv、初始相位θsv和旋转方向sgn计算产生正反电势所需要的各次气隙工作磁场Bgv的初始相位Bgv，所述各次气隙工作磁场Bgv由所述永磁体阵列产生；S2，以产生所述各次气隙工作磁场Bgv为设计目标，计算相应的各次磁导谐波的相位θmv；并以使所述各次气隙工作磁场Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大为设计目标，计算所述各次磁导谐波的极弧系数αv，所述各次磁导谐波由所述调制齿阵列产生；S3，根据所述各次磁导谐波的相位θmv和极弧系数αv设计各次磁导谐波对应的调制齿的个数、位置以及沿圆周方向的长度，使得生成的磁导模型与S2中设计所得到的各次磁导谐波的相位θmv一致；S4，对各次磁导谐波对应的调制齿的径向尺寸进行优化，使得所述各次气隙工作磁场Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大。
更进一步地，所述S3包括：根据所述各次磁导谐波的相位θmv和极弧系数αv设计各次磁导谐波对应的调制齿沿圆周方向的长度；对各次磁导谐波对应的调制齿进行叠加，使得所有调制齿的重合区域最大，以确定各次磁导谐波对应的调制齿的个数和位置。
更进一步地，所述S4包括：对未重叠区域的调制齿的径向尺寸进行优化，使得所述各次气隙工作磁场Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大。
更进一步地，所述S1中根据所述各次气隙工作磁场Bgv产生的反电势相位
Figure BDA0002767045700000031
阳同来计算所述初始相位θgv，所述反电势相位
Figure BDA0002767045700000032
为：
Figure BDA0002767045700000033
其中，sgn(v)为气隙工作磁场Bgv的旋转方向。
更进一步地，方法还包括：S5，对定子进行优化，使得所述定子的齿部由两组不同宽度的定子齿部交替组成，所述绕组缠绕在较宽的定子齿部外侧。
更进一步地，所述绕组系数kwv为：
kwv＝kyv·kdv·ksv
其中，kyv为节距系数，kdv为分布系数，ksv为槽口系数；所述旋转方向sgn由绕组相数和绕组谐波次数v确定。
更进一步地，所述各次气隙工作磁场Bgv的数量为一个或多个，形成相应的单谐波工作磁场或多谐波工作磁场。
按照本发明的另一个方面，提供了一种永磁电机，包括同轴套设的转子、定子和转轴，所述定子中与转子相对的一侧设置有调制齿阵列，或者所述转子中与定子相对的一侧设置有调制齿阵列，所述调制齿阵列由如上所述的基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法形成。
更进一步地，所述永磁电机还包括永磁体阵列，所述永磁体阵列与所述调制齿阵列相对设置，二者之间形成有气隙，所述永磁体阵列径向充磁且相邻永磁体充磁方向相反。
更进一步地，所述永磁体阵列为定子结构或转子结构，阵列中各磁钢等宽或不等宽。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)结合绕组谐波特征分析产生电机正反电势所需要的气隙工作磁场，并反推气隙磁导函数的谐波成分，从而定量设计各次磁导谐波对应调制齿的尺寸，实现各次磁导谐波幅值、相位都和给定分析值一致，并通过进一步结构优化实现有效工作磁场最大化，从而充分发挥永磁体及绕组的机电能量转化能力，提升电机的转矩输出能力；
(2)对缠绕绕组的定子进行优化，主齿宽窄交替设置，较宽的主齿上缠有绕组线圈，较窄的主齿为绕组线圈提供更大的槽部空间，提高绕组线圈的槽满率；
(3)该方法构造的电机具有不均匀调制齿，该调制齿与永磁体阵列相互作用时，可以产生定向设计的目标工作磁场，该目标工作磁场既可以是单一工作磁场也可以是多谐波工作磁场，适用范围广，并且多谐波工作磁场可以使电机获得更强的转矩产生能力，进一步提升电机的转矩密度。
附图说明
图1为本发明实施例中基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法的流程图；
图2为调制齿阵列初始结构示意图；
图3为本发明实施例中定向构造的调制齿阵列优化结构示意图；
图4为本发明实施例中定向构造的永磁电机中定子整体结构示意图；
图5为本发明实施例中定向构造的永磁电机中转子整体结构示意图；
图6为本发明实施例中定向构造的永磁电机的整体结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为调制齿阵列，2为绕组，3为定子，4为转子，5为永磁体阵列，6为转轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明实施例中基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法的流程图。参阅图1，结合图2-图6，对本实施例中基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法进行详细说明。方法包括操作S1-操作S4。
操作S1，根据设计目标中各次绕组谐波vth的绕组系数kwv、初始相位θsv和旋转方向sgn计算产生正反电势所需要的各次气隙工作磁场Bgv的初始相位θgv，各次气隙工作磁场Bgv由永磁体阵列产生。
永磁电机包括缠绕有绕组2的定子3、永磁体阵列5、转子4、调制齿阵列1以及转轴6。具体地，例如转子、定子、转轴从外到内依次同轴套设，或者定子、转子转轴从外到内依次同轴套设。转子与定子之间形成有气隙，转子近气隙面嵌有永磁体阵列，定子近气隙面设置有调制齿阵列；或者，定子近气隙面嵌有永磁体阵列，转子近气隙面设置有调制齿阵列。定子齿部缠绕有线圈，特定线圈间进一步串联或并联构成相绕组。本实施例中，以图2-图6中示出的转子、定子、转轴从外到内依次同轴套设，转子近气隙面嵌有永磁体阵列，定子近气隙面设置有调制齿阵列为例，说明该基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法的具体操作过程。
在执行操作S1之前，以某相绕组中轴线作为初始位置，根据绕组的结构特征判定各次绕组谐波vth的绕组系数kwv、初始相位θsv和旋转方向sgn等信息。本实施例中，定义极对数为1为基波，则绕组谐波vth对应v个极对数。绕组系数kwv为：
kwv＝kyv·kdv·ksv
其中，kyv为节距系数，kdv为分布系数，ksv为槽口系数。旋转方向sgn由绕组相数m和谐波次数v决定，本实施例中指定逆时针为正旋转方向，sgn＝+1；顺时针为负旋转方向，sgn＝-1。
本实施例中，将转子永磁体极对数设定为单谐波Pr1＝20，绕组采用单层集中绕组，A相绕组中轴线作为初始位置0，将单个线圈的跨距机械角度θ0设定为15°，以上述设定为例，则该单层集中绕组谐波的绕组系数kwv、初始相位θsv和旋转方向sgn如表1所示。
表1
谐波极对数v k<sub>wv</sub> θ<sub>sv</sub> sgn 谐波极对数v k<sub>wv</sub> θ<sub>sv</sub> sgn
2 0.5 0° +1 14 0.5 180° +1
4 0.867 0° -1 16 0.867 180° -1
8 0.867 0° +1 20 0.867 180° +1
10 0.5 0° -1 22 0.5 180° -1
进一步地，根据得到的绕组系数kwv、初始相位θsv和旋转方向sgn等信息，反推产生正反电势所需要的各次气隙工作磁场Bgv的初始相位θgv。本实施例中，电机空载反电势E1为：
Figure BDA0002767045700000061
其中，Dg为电机气隙对应的直径；L为电机有效轴长；Ns为相绕组串联匝数；ωm为转子机械旋转角速度；sgn(v)为气隙工作磁场Bgv的旋转方向；Pr为永磁体阵列的极对数；t为时间；v为气隙工作磁密的次数；Beqv是简化空载反电势E1的表达式的过程中得到的一个等效磁密幅值，包含了第v次的气隙磁密的幅值、第v次绕组系数、以及常数项Pr/v。
为了使所有工作磁场都贡献正反电势，在空载反电势E1公式中体现为各次气隙工作磁场Bgv贡献的反电势相位
Figure BDA0002767045700000062
相同。由此，本发明实施例中，操作S1中根据各次气隙工作磁场Bgv产生的反电势相位
Figure BDA0002767045700000071
相同来计算初始相位θgv，反电势相位
Figure BDA0002767045700000072
为：
Figure BDA0002767045700000073
其中，sgn(v)为气隙工作磁场Bgv的旋转方向。对于表1中的示例而言，根据
Figure BDA0002767045700000074
来计算各初始相位θgv，得到的各次气隙工作磁场Bgv的初始相位θgv如表2所示。
表2
谐波极对数v θ<sub>gv</sub> 谐波极对数v θ<sub>gv</sub>
2 90° 14 -90°
4 -90° 16 -90°
8 90° 20 90°
10 -90° 22 -90°
操作S2，以产生各次气隙工作磁场Bgv为设计目标，计算相应的各次磁导谐波的相位θmv；并以使各次气隙工作磁场Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大为设计目标，计算各次磁导谐波的极弧系数αv，各次磁导谐波由所述调制齿阵列产生。
游标永磁电机气隙工作磁场可以由磁势函数与磁导函数的乘积得到，本实施例中，气隙工作磁场B为：
Figure BDA0002767045700000075
进一步展开后，气隙工作磁场B为：
Figure BDA0002767045700000076
θgv＝sgn1(v)(θr1-θmj)
Figure BDA0002767045700000077
其中，F1为永磁体基波励磁磁势，As0为气隙磁导函数的常数分量，θ为空间机械角位置，θr1为永磁体基波励磁磁势初始电角度，Λsj为气隙磁导函数的第j次谐波分量，θmj为Asj的初始电角度。结合操作S1中得到的各次气隙工作磁场Bgv的初始相位θgv，可以推导得到相应的各次磁导谐波的相位θmv；进一步地，利用仿真软件，对各次磁导谐波的极弧系数αv进行仿真优化，优化目标为使各次气隙工作磁场Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和
Figure BDA0002767045700000081
最大，得到最优极弧系数αv。仍以表1和表2中的永磁电机为例，得到的相位θmv和极弧系数αv如表3所示。
表3
磁导谐波极对数 θ<sub>mv</sub> α<sub>v</sub>
6(1<sup>st</sup>) 0° 0.8
12(2<sup>nd</sup>) 180° 0.8
18(3<sup>rd</sup>) 180° 1
24(4<sup>th</sup>) 180° 1
30(5<sup>th</sup>) 180° 由1<sup>st</sup>磁导谐波决定
36(6<sup>th</sup>) 0° 由1<sup>st</sup>、2<sup>nd</sup>、3<sup>rd</sup>磁导谐波决定
42(7<sup>th</sup>) 0° 1<sup>st</sup>磁导谐波决定
操作S3，根据各次磁导谐波的相位θmv和极弧系数αv设计各次磁导谐波对应的调制齿的个数、位置以及沿圆周方向的长度，使得生成的磁导模型与S2中设计所得到的各次磁导谐波的相位θmv一致。
操作S3中，根据各次磁导谐波的相位θmv和极弧系数αv构建具体的调制齿阵列结构，该结构即为调制齿阵列的初始结构。以表3中得到的信息为例，构建的调制齿阵列的初始结构如图2所示。
根据本发明实施例，操作S3包括子操作S31和子操作S32。
在子操作S31中，根据各次磁导谐波的相位θmv和极弧系数αv设计各次磁导谐波对应的调制齿沿圆周方向的长度。
在子操作S32中，对各次磁导谐波对应的调制齿进行叠加，使得所有调制齿的重合区域最大，以确定各次磁导谐波对应的调制齿的个数和位置。
操作S4，对各次磁导谐波对应的调制齿的径向尺寸进行优化，使得各次气隙工作磁场Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大。
对调制齿阵列的初始结构进一步进行细节尺寸优化，从而实现工作磁场幅值最大化。优化对象为调制齿阵列的径向长度，结合仿真软件，优化目标为使得各次气隙工作磁场Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大，优化后得到调制齿阵列的结构如图3所示。
根据本发明实施例，操作S4中，对子操作S32中未重叠区域的调制齿的径向尺寸进行优化，使得各次气隙工作磁场Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大。
根据本发明实施例，该基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法还包括操作S5，对定子进行优化，使得定子的齿部由两组不同宽度的定子齿部交替组成，绕组缠绕在较宽的定子齿部外侧。较窄的主齿为绕组线圈提供更大的槽部空间，提高绕组线圈的槽满率。
优化后的调制齿阵列与定子集成构成最终的定子结构，定子齿部缠绕有绕组，形成的优化结构如图4所示，该绕组结构与设计目标中θ0＝15°是相吻合的，也验证了该构造方法的有效性。进一步地，转子以及转子内侧的永磁体阵列的结构如图5所示，最终嵌套形成的永磁电机的结构例如如图6所示。永磁体阵列中各磁钢的宽度既可以相等也可以不等，等宽磁钢形成单一励磁谐波，不等宽磁钢形成多励磁谐波。调制齿阵列中各调制齿的尺寸可以一致，沿圆周均匀分布，形成单谐波工作磁场，气隙工作磁场Bgv的数量为一个；各调制齿的尺寸也可以不完全一致，形成多谐波工作磁场，气隙工作磁场Bgv的数量为多个。
本发明实施例还提供了一种永磁电机，包括同轴套设的转子4、定子3和转轴6，定子3中与转子4相对的一侧设置有调制齿阵列1，或者转子4中与定子3相对的一侧设置有调制齿阵列1，调制齿阵列1由如图1-图6所示基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法形成。
永磁电机还包括永磁体阵列5，永磁体阵列5与调制齿阵列1相对设置，二者之间形成有气隙，永磁体阵列5径向充磁且相邻永磁体充磁方向相反。永磁体阵列5为定子结构或转子结构，阵列中各磁钢等宽或不等宽。永磁电机还包括绕组2，绕组2缠绕在定子齿部。定子由两组不同宽度的定子齿部交替组成，绕组2缠绕在较宽的定子齿部外侧。
本实施例中的永磁电机与图1-图6所示基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法形成的永磁电机相同，此处不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法，所述永磁电机包括缠绕有绕组的定子、永磁体阵列、转子以及调制齿阵列，其特征在于，方法包括：
S1，根据设计目标中各次绕组谐波vth的绕组系数kwv、初始相位θsv和旋转方向sgn计算产生正反电势所需要的各次气隙工作磁场Bgv的初始相位θgv，所述各次气隙工作磁场Bgv由所述永磁体阵列产生；
S2，以产生所述各次气隙工作磁场Bgv为设计目标，计算相应的各次磁导谐波的相位θmv；并以使所述各次气隙工作磁场Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大为设计目标，计算所述各次磁导谐波的极弧系数αv，所述各次磁导谐波由所述调制齿阵列产生；
S3，根据所述各次磁导谐波的相位θmv和极弧系数αv设计各次磁导谐波对应的调制齿的个数、位置以及沿圆周方向的长度，使得生成的磁导模型与S2中设计所得到的各次磁导谐波的相位θmv一致；
S4，对各次磁导谐波对应的调制齿的径向尺寸进行优化，使得所述各次气隙工作磁场Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大。
2.如权利要求1所述的基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法，其特征在于，所述S3包括：
根据所述各次磁导谐波的相位θmv和极弧系数αv设计各次磁导谐波对应的调制齿沿圆周方向的长度；
对各次磁导谐波对应的调制齿进行叠加，使得所有调制齿的重合区域最大，以确定各次磁导谐波对应的调制齿的个数和位置。
3.如权利要求2所述的基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法，其特征在于，所述S4包括：
对未重叠区域的调制齿的径向尺寸进行优化，使得所述各次气隙工作磁场Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大。
4.如权利要求1所述的基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法，其特征在于，所述S1中根据所述各次气隙工作磁场Bgv产生的反电势相位
Figure FDA0002767045690000023
相同来计算所述初始相位θgv，所述反电势相位
Figure FDA0002767045690000022
为：
Figure FDA0002767045690000021
其中，sgn(v)为气隙工作磁场Bgv的旋转方向。
5.如权利要求1所述的基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法，其特征在于，方法还包括：
S5，对定子进行优化，使得所述定子的齿部由两组不同宽度的定子齿部交替组成，所述绕组缠绕在较宽的定子齿部外侧。
6.如权利要求1所述的基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法，其特征在于，所述绕组系数kwv为：
kwv＝kyv·kdv·ksv
其中，kyv为节距系数，kdv为分布系数，ksv为槽口系数；所述旋转方向sgn由绕组相数和绕组谐波次数v确定。
7.如权利要求1-6任一项所述的基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法，其特征在于，所述各次气隙工作磁场Bgv的数量为一个或多个，形成相应的单谐波工作磁场或多谐波工作磁场。
8.一种永磁电机，包括同轴套设的转子、定子和转轴，其特征在于，所述定子中与转子相对的一侧设置有调制齿阵列，或者所述转子中与定子相对的一侧设置有调制齿阵列，所述调制齿阵列由如权利要求1-7任一项所述的基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法形成。
9.如权利要求8所述的永磁电机，其特征在于，所述永磁电机还包括永磁体阵列，所述永磁体阵列与所述调制齿阵列相对设置，二者之间形成有气隙，所述永磁体阵列径向充磁且相邻永磁体充磁方向相反。
10.如权利要求9所述的永磁电机，其特征在于，所述永磁体阵列为定子结构或转子结构，阵列中各磁钢等宽或不等宽。
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