CN112532005B - 一种磁场调制式双凸极电机及其凸极齿分布设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁场调制式双凸极电机及其凸极齿分布设计方法，包括定子和动子，定子包括定子铁心、两套绕组和两套永磁体。每个定子齿分裂成两个励磁齿，每个励磁齿分裂成两个凸极齿。两套绕组分别为电枢绕组和励磁绕组，电枢绕组绕制于定子齿，励磁绕组绕制在由不同定子齿分裂而成的相邻励磁齿。两套沿切向充磁的永磁体分别放置在励磁槽槽口和槽底，放置于同一个槽以及相邻槽相同位置的永磁体极性相反。本发明双凸极的结构设计，使得磁场能够在气隙中调制出丰富的工作谐波，提升电机推力；永磁体磁路仅在定子齿中形成回路，解决了电机易饱和的问题。本发明的凸极齿分布设计方法，通过改变凸极齿分布调整谐波贡献幅值，从而提升电机推力。

Description

一种磁场调制式双凸极电机及其凸极齿分布设计方法

技术领域

本发明涉及到一种磁场调制式双凸极电机及其凸极齿分布设计方法，属于电机领域。采用可变磁通的混合励磁双凸极结构设计，使电机具有高推力、宽调速范围的性能优势；两套绕组和两套永磁体均安装于定子的结构特点，可应用于航天航空、交通运输、风力发电等领域。

背景技术

随着开关磁阻电机的不断发展，美国学者Lipo教授等将永磁体引入开关磁阻电机提出了永磁双凸极电机。由于永磁材料偏高的价格，为了节约电机制造成本，电励磁双凸极电机在此基础上发展而来。电励磁双凸极电机的绕组均放置于定子侧，动子侧为简单的凸极结构，因而具有较好的温度管理和高速运行能力。相较于永磁双凸极电机，电励磁双凸极电机的励磁磁场可以通过改变励磁电流大小控制，控制简单，可靠性高，在航天航空、交通运输、风力发电等领域都具有广阔的应用前景。

中国发明专利申请号CN201910270245.9公开了一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机及其方法，通过双定子的结构增加一套内定子绕组，充分地利用电机空间；转子设有隔磁桥，主磁通经外定子、转子和内定子闭合，使电机在失磁故障时也可提供足够的磁阻转矩，实现电机的失错容错运行。虽然电机具有了容错能力，但是受制于电励磁电机本身，为了进一步提升电机的推力，将永磁体引入电励磁电机中，使电机同时具有永磁电机高得推力密度且具有宽速范围。

中国发明专利号CN201010592364.5公开了两种轴向励磁双凸极电机，两种电机均包括至少两个按轴向排列的双凸极单体结构。第一种结构定转子铁心通过轴向导磁背铁形成轴向磁路；第二种定子铁心、定子轴向导磁背铁及永磁体均为圆弧状结构。本发明空间利用率高，无附加气隙，励磁效率高。虽然该发明有效节约了空间，永磁体的引入也提升了电机的推力密度及励磁效率，但是复杂的结构设计，也给生产制造带来了难度。

中国发明专利申请号CN202010097798.1公开了一种有效永磁极数可调的双凸极永磁电机，通过在励磁绕组中施加脉冲电流改变低矫顽力永磁体的磁化方向，调节双凸极永磁电机永磁体极数，使电机调磁范围宽，广域高效。该电机虽然具有宽得调磁范围和高的推力密度，但是，在励磁绕组中施加脉冲电流，也加重了控制电路设计难度，此外，脉冲电流过大造成永磁体不可逆退磁的风险，也是需要面临的问题。

从目前的研究来看，对于双凸极电机性能的研究，一般采用复杂的结构设计来提升电机的容错特性或推力能力，或对引入的永磁体形状和励磁绕组的电流进行研究，但却未对双凸极电机自身的凸极齿特点开展研究。

发明内容

本发明的目的是，针对现有双凸极电机凸极齿分布研究的空缺，提出了一种磁场调制式双凸极电机及其凸极齿分布设计方法，根据磁场调制的原理，公开了一种凸极齿的分布设计方法：探明凸极齿分布机理，从而优化工作波的幅值，提高电机推力和调磁能力。考虑到永磁材料价格的偏高，电机设计中以励磁绕组为主，永磁材料为辅，尽量发挥励磁绕组的性能，设计了一种磁场调制式双凸极电机，此外，为了进一步提升电机的推力能力，通过永磁体的设计，增强电机抗饱和能力。

具体地说，本发明的电机是采取以下的技术方案来实现的：一种磁场调制式双凸极电机，包括定子(1)和动子(2)，所述定子包括定子铁心、定子齿(3)、电枢绕组(6)、励磁绕组(5)、永磁体1(81)、永磁体2(82)；每个定子齿(3)分裂成两个励磁齿(4)，每个励磁齿(4)分裂成凸极齿1(71)和凸极齿2(72)这两个凸极齿；电枢绕组(6)绕制于定子齿(3)上，为了保证励磁绕组和电枢绕组中心线相差半个定子齿距，励磁绕组(5) 绕制于由不同定子齿分裂所形成的两个相邻励磁齿(4)上；永磁体1(81)、永磁体2(82) 均为切向充磁，且均放置于励磁槽内，永磁体1(81)放置于励磁槽口，永磁体2(82)内嵌于励磁槽底部；相邻两槽相同位置放置的永磁体极性相反且相同槽内的永磁体极性也相反；单独永磁激励时，同一个槽内的两个永磁体在定子齿内形成一个封闭的磁路；所述动子由多个转子凸极(9)排列构成，经过双边调制，气隙磁场中含有丰富的工作波。

进一步，由同一个励磁齿(4)分裂形成的凸极齿1(71)和凸极齿2(72)齿宽相互独立，互不影响；优化定子凸极齿的分布，调整每次工作波的幅值来提升电机的推力。

进一步，定子齿(3)齿数为N_s，凸极齿1(71)和凸极齿2(72)的宽度分别为β₁和β₂，电枢绕组(6)和励磁绕(5)组槽口宽度分别为β₃和β₅，单个励磁齿(4)分裂后形成的励磁凹槽宽度为β₄，转子凸极(9)个数为N_r，每个齿极距为τ_p，各参数的关系可表示为：

β₁+β₂+β₃+β₄+β₅＝N_rτ_p/N_s。

本发明的设计方法的技术方案包括，定子凸极齿的总数为4N_s，其中，凸极齿1(71)和凸极齿2(72)均为2N_s，凸极齿的分布与β₁、β₂、β₃、β₄和β₅有关，凸极齿分布的设计方法的主要为：归纳凸极齿的分布规律；推导每种情况下空载气隙磁密的阶次和幅值；再通过磁密求解出反电势，通过对比反电势的大小，得到凸极齿分布的最优方式；具体如下：

步骤1，以β₁、β₂、β₃、β₄和β₅为切入点，对凸极齿分布进行设计，以单个定子齿为基准，凸极齿的分布可归纳为下列三种模型Model：

Model I.当β₁、β₂、β₃、β₄和β₅五个变量互不相等时，每个定子齿具有一个最小单元；

Model II.当励磁绕组槽口和电枢绕组槽口宽度相等且凸极齿1(71)和凸极齿2(72) 宽度相等，即β₁≠β₄≠β₃,β₁＝β₂,β₃＝β₅，则每个定子齿具有两个最小单元；

Model III.当励磁绕组槽口、电枢绕组槽口和励磁凹槽三者宽度相等且凸极齿1(71) 和凸极齿2(72)宽度相等，即β₁≠β₃,β₁＝β₂＝β₄,β₃＝β₅，则每个定子齿具有四个最小单元；

步骤2，永磁体1(81)、永磁体2(82)仅在定子铁心内形成闭合的磁路，气隙磁密由励磁绕组产生，因而只需对励磁绕组进行分析，励磁绕组气隙磁动势为：

其中，F_fw为励磁绕组磁动势，i为正奇数，θ为转子转过的机械角度，N_f和i_f分别为每相串联匝数和励磁电流；

转子磁导为：

其中，j为正整数，θ为转子转过的机械角度，θ₀为转子初始位置角，ω为机械角速度，Λ_r0和Λ_rj分别为0和jN_r阶磁导系数；

由于上述公式只能定性分析而无法定量求解，为了定量分析转子磁导，根据电机尺寸参数，转子磁导Λ_r(θ,t)可表示为：

其中，u₀为相对空气磁导，δ为气隙长度，δ_r(θ,t)为转子侧气隙长度；

其中，m为正整数，β_r为转子槽口宽度，R_ap为气隙半径，t为所对应的时间；

步骤3，凸极齿的分布影响定子齿形，则定子磁导也随之变化，用变量S_p表示不同情况的最小单元数，则定子磁导Λ_s(θ)可表示为：

其中，k为正整数，Λ_s0和Λ_sk分别为0和kS_p阶磁导系数；

与转子磁导同理，上述公式也只能定性分析而无法定量求解，为了定量分析定子磁导，根据电机尺寸参数，定子磁导可表示为：

其中，n为正整数，δ_s(θ)为转子侧气隙长度，系数b_n表示为：

从定子磁导的定量表述形式来看，定子磁导谐波阶次和幅值均与S_p的取值有关；

步骤4，电机磁导为定子磁导和转子磁导合成磁导Λ(θ,t)：

励磁绕组磁密B(θ,t)表示为：

其中，Λ₀、Λ_k、Λ_j、Λ_kj分别为0阶、定子k阶、j次、kj次磁导系数，F_i为系数；

磁密由五部分组成，前两部分为静止的，其余部分为旋转的，而4和5两个部分的阶次均与kS_p有关，因而，不同S_p使得电机磁密的谐波组成及相应的幅值大小均变化；

步骤5，绕组函数N(θ)为：

其中，v为正整数，N_i为电枢绕组串联匝数；

每相磁链ψ_p(t)为：

其中，l_a为电机有效轴向长度；

反电势为：

通过上述公式推导，可以求得三种模型下的定子磁导、磁密、磁链和反电势，先从磁导模型分析凸极齿不同分布对定子磁导谐波的影响；然后，通过求得的磁密得出不同情况下磁密阶次和幅值的差异；之后，对比不同分布下的磁链大小；最后，通过求得的反电势得到最优的分布结构。

有益效果:

本发明采用上述设计方案后，可以具备如下有益效果：

1.本发明对双边多齿类电机凸极齿的分布进行设计，总结凸极齿的分布规律，推导气隙磁密的谐波幅值和大小，得到凸极齿的分布对工作波的影响；计算不同凸极齿分布时的电机推力。通过对凸极齿的分布设计方法的研究，优化工作谐波的幅值，提升电机的推力。

2.本发明动子仅为简单的凸极结构，对于双凸极电机而言，简单的动子凸极结构，可以大幅削减制造成本，降低加工的难度；

3.本发明两套绕组均放置于定子的不同槽内，采用双层集中式，该绕制方式可有效减小端部长度，降低电机的铜耗，绕组安放在不同的槽内，有效降低了绕线的复杂度，提高了加工的工艺性，两套绕组物理上相互独立，提高了电机的容错能力；

4.本发明的两套绕组和两永磁体均放置于定子上，电枢绕组通入三相交流电，励磁绕组通入直流电，电机内无电刷和滑环，有效提高了电机运行的可靠性，降低了人员定期维护的难度；

5.本发明所设计的以励磁绕组励磁为主永磁为辅的双凸极混合励磁电机，具有宽调速的优势，可应用于城市轨道交通领域，此外，还适用于数控加工车床等直线往复运动场合；

6.本发明基于磁场调制原理，设计了以励磁绕组为主，永磁体为辅的双凸极电机，充分发挥励磁能力的同时，尽量减少永磁体的用量，以达到性价比最优；合理的设计电枢绕组极对数、励磁绕组极对数和转子凸极数，使电枢绕组能够充分吸收励磁磁场谐波，使得电机具有多工作波，提升电机的推力及励磁绕组的调磁能力；

附图说明

图1为本发明一个实施例的磁场调制式双凸极电机结构示意图；

图2为本发明实例电枢绕组的连接示意图；

图3为本发明实例励磁绕组的连接示意图；

图4为本发明实例仅永磁体单独作用时的磁场分布示意图；

图5为本发明实施例根据β₁、β₂、β₃、β₄和β₅的关系，凸极齿的分布情况，其中，图(a)为最小单元S_p为1时，凸极齿分布示意图；图(b)为最小单元S_p为2时，凸极齿分布示意图；图(c)为最小单元S_p为4时，凸极齿分布示意图；

图6为本发明实施例仅励磁绕组单独作用下，不同凸极齿分布下的定子磁导示波形及谐波分布，其中，图(a)为定子磁导波形，图(b)为谐波分布；

图7为本发明实施例仅励磁绕组单独作用下，不同凸极齿分布下的气隙磁密波形和谐波分布，其中，图(a)为气隙谐波波形，图(b)为谐波分布；

图8为本发明实施例仅励磁绕组单独作用下，不同凸极齿分布下的磁链波形及谐波分布，其中，图(a)为磁链波形，图(b)为磁链谐波分布；

图9为本发明实施例仅励磁绕组单独作用下，不同凸极齿分布下的反电势波形及谐波分布，其中，图(a)为反电势波形，图(b)为反电势谐波分布；

图10为本发明实施例无永磁体，励磁绕组和电枢绕组作用时，电机的推力随电流变化曲线；

图11为本发明实施例励磁绕内放置永磁体，励磁绕组和电枢绕组均作用，电机的推力随电流变化曲线。

图中：1、定子，2、动子，3、定子齿，4、励磁齿，5、励磁绕组，6、电枢绕组，71、凸极齿1，72、凸极齿2，81、永磁体1，82、永磁体2，9、动子凸极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和效果更加清晰明白，下面结合附图和具体的实施例子，对本发明电机的结构特点和有益效果进行详细描述。

如图1所示，本发明公开了一种磁场调制式双凸极电机及其凸极齿分布设计方法，包括定子(1)和动子(2)，定子包括定子铁心、电枢绕组(6)、励磁绕组(5)、永磁体1(81)、永磁体2(82)。每个定子齿(3)分裂成两个励磁齿(4)，每个励磁齿(4)分裂成两个凸极齿(71和72)。电枢绕组(6)绕制于定子齿(3)上，励磁绕组(5)绕制于由不同定子齿(3)分裂而成的相邻两个励磁齿(4)，电枢绕组和励磁绕组的连接关系见图2-3。

电枢绕组(6)绕制于定子齿(3)上，为了保证励磁绕组和电枢绕组中心线相差半个定子齿距，励磁绕组(5)绕制于由不同定子齿分裂所形成的两个相邻励磁齿(4)。

其特征在于，两套永磁体(81和82)均为切向充磁，永磁体(81和82)均放置于励磁槽内，永磁体1(81)放置于励磁槽口，永磁体2(82)内嵌于励磁槽底部。相邻两槽相同位置放置的永磁体极性相反且相同槽内的永磁体极性也相反。单独永磁激励时，同一个槽内的两个永磁体在定子齿内形成一个封闭的磁路。在高电负荷情况下，永磁体可以有效抑制电机饱和，提升电机推力能力。

其特征在于，由于该电机定子具有多个凸极齿，并且由同一个励磁齿分裂形成的两个凸极齿尺寸相互独立；而动子仅为简单的凸极，经过双边调制，气隙磁场中含有丰富的工作波。优化定子凸极齿的分布，调整每次工作波的幅值，从而提升电机的推力。

其特征在于：定子齿数为N_s，凸极齿1(71)和凸极齿2(72)的宽度分别为β₁和β₂，电枢绕组和励磁绕组槽口宽度分别为β₃和β₅，单个励磁齿分裂后形成的励磁凹槽宽度为β₄，转子凸极个数为N_r，每个齿极距为τ_p。各参数的关系可表示为：

β₁+β₂+β₃+β₄+β₅＝N_rτ_p/N_s

其特征在于：凸极齿的总数为4N_s，其中，凸极齿1(71)和凸极齿2(72)均为2N_s。凸极齿的分布与β₁、β₂、β₃、β₄和β₅有关。凸极齿分布的设计方法的主要思路为：归纳凸极齿的分布规律；推导每种情况下空载气隙磁密的阶次和幅值；再通过磁密求解出反电势，通过对比反电势的大小，得到凸极齿分布的最优方式。凸极齿的分布设计方法具体如下：

步骤1，以β₁、β₂、β₃、β₄和β₅为切入点，对凸极齿分布进行设计，以单个定子齿为基准，凸极齿的分布可归纳为下列三种情况：

情况1.当五个变量互不相等时，每个定子齿具有一个最小单元；

情况2.当励磁绕组槽口和电枢绕组槽口宽度相等且凸极齿1和凸极齿2宽度相等，即 (β₁≠β₄≠β₃,β₁＝β₂,β₃＝β₅)，则每个定子齿具有两个最小单元；

情况3.当励磁绕组槽口、电枢绕组槽口和励磁凹槽三者宽度相等且凸极齿1和凸极齿 2宽度相等，即(β₁≠β₃,β₁＝β₂＝β₄,β₃＝β₅)，则每个定子齿具有四个最小单元。

步骤2，永磁体1和2仅在定子铁心内形成闭合的磁路，气隙磁密由励磁绕组产生。因而只需对励磁绕组进行分析。励磁绕组气隙磁动势为：

其中，F_fw为励磁绕组磁动势，i为正奇数，θ为转子转过的机械角度，N_f和i_f分别为每相串联匝数和励磁电流。

转子磁导为：

其中，j为正整数，θ为转子转过的机械角度，θ₀为转子初始位置角，ω为机械角速度，Λ_r0和Λ_rj分别为0和jN_r阶磁导系数。

由于上述公式只能定性分析而无法定量求解，为了定量分析转子磁导，根据电机尺寸参数，转子磁导可表示为：

其中，μ₀为相对空气磁导，m为正整数，β_r为转子槽口宽度，R_ap为气隙半径。

步骤3，凸极齿的分布影响定子齿形，则定子磁导也随之变化，用变量S_p表示不同情况的最小单元数，则定子磁导可表示为：

其中，k为正整数，Λ_s0和Λ_sk分别为0和kS_p阶磁导系数。

与转子磁导同理，上述公式也只能定性分析而无法定量求解。为了定量分析定子磁导，根据电机尺寸参数，定子磁导可表示为：

其中，n为正整数，

从定子磁导的定量表述形式来看，定子磁导谐波阶次和幅值均与S_p的取值有关。

步骤4，电机磁导为定子磁导和转子磁导合成磁导：

励磁绕组磁密表示为：

其中，Λ₀、Λ_k、Λ_j、Λ_kj分别为0阶、定子k阶、j次、kj次磁导系数。

磁密由五部分组成，前两部分为静止的，其余部分为旋转的，而4和5两个部分的阶次均与kS_p有关。因而，不同S_p使得电机磁密的谐波组成及相应的幅值大小均变化。

步骤5，绕组函数为：

其中，v为正整数，N_i为电枢绕组串联匝数。

每相磁链为：

其中，l_a为电机有效轴向长度。

反电势为：

通过上述公式推导，可以求得三种模型下的定子磁导、磁密、磁链和反电势。先从磁导模型分析凸极齿不同分布对定子磁导谐波的影响；然后，通过求得的磁密得出不同情况下磁密阶次和幅值的差异；之后，对比不同分布下的磁链大小；最后，通过求得的反电势得到最优的分布结构。

实例

图1为本发明一个实施例的双凸极直线电机的结构示意图。如图1所示，该电机为三相电机，包括定子(1)和转子(2)，定子包括定子铁心、电枢绕组(6)、励磁绕组(5)、永磁体1(81)、永磁体2(82)。每个定子齿(3)分裂成两个励磁齿(4)，每个励磁齿(4) 分裂成两个凸极齿(71和72)。电枢绕组(6)绕制于定子齿(3)上，励磁绕组(5)绕制于由不同定子齿(3)分裂而成的相邻两个励磁齿(4)。永磁体1和永磁体2均放置于励磁绕组槽内，永磁体1放置在励磁槽槽口，永磁体2放置在励磁槽槽底。两种永磁体均切向充磁，同一个槽内的永磁体1和2充磁极性相反，在单个定子齿内形成回路。相邻励磁槽的相同位置放置的永磁体极性相反，不同槽内的永磁体相互独立。实施列中电机定子齿N_s为6个，凸极齿1有12个，凸极齿2有12个，凸极齿共24个。

图2为电枢绕组的连接关系，电枢绕组通入三相交流电，相与相之间相差120°电角度。

图3为励磁绕组的连接关系，励磁绕组通入直流电，电流的正负影响推力的方向。

图4为永磁体单独激励时的磁场分布，从图中可以看出，每个励磁绕组槽内的两个永磁体在定子齿内形成闭合的磁路。

图5为按照β₁、β₂、β₃、β₄和β₅的关系，凸极齿的分布情况，图5(a)为当五个变量互不相等时(β₁≠β₂≠β₃≠β₄≠β₅)，每个定子齿具有一个最小单元；图5(b)为当励磁绕组槽口和电枢绕组槽口宽度相等且凸极齿1和凸极齿2宽度相等，即(β₁≠β₄≠β₅,β₁＝β₂,β₃＝β₅)，则每个定子齿具有两个最小单元；图5(c)为当励磁绕组槽口、电枢绕组槽口和励磁凹槽三者宽度相等且凸极齿1和凸极齿2宽度相等，即(β₁≠β₅,β₁＝β₂＝β₄,β₃＝β₅)，则每个定子齿具有四个最小单元。

图6为凸极齿三种分布情况下的定子磁导波形和谐波分布。其中，model I表示五个变量互不相等，每个定子齿只有1个最小单元的凸极齿分布，最小单元数S_p为1；model II表示励磁绕组槽口和电枢绕组槽口宽度相等且凸极齿1和凸极齿2宽度相等，每个定子齿具有2个最小单元的凸极齿分布，最小单元数S_p为2；model III表示励磁绕组槽口、电枢绕组槽口和励磁凹槽三者宽度相等且凸极齿1和凸极齿2宽度相等，每个定子齿具有4个最小单元，最小单元数S_p为4。从图中可以看出，在24次谐波以内。model I的谐波有：6次、12次、18次和24 次；model II的谐波有：12次和24次；model III的谐波有：24次；则三个模型的谐波阶次可分别表示为：S_pN_s。

图7为凸极齿三种分布情况下的气隙磁密波形和谐波分布。从图中可以看出，三个模型的谐波阶次相同，但幅值的大小存在差异。其中，2、4、8、10、14、16和22次均为工作波；为了方便分析，忽略谐波阶次较高、贡献较少的工作波。对于2次谐波幅值最高的为modelI； 4次谐波幅值最高的为model II；8次谐波幅值最高的为model III。从结果来看，凸极齿的分布对谐波的幅值具有较大的影响。

图8为凸极齿三种分布情况下的磁链波形和谐波分布。从图中可以看出，model I的基波幅值最高为0.037Wb，model II次之为0.036Wb，model III的基波幅值最低为0.028Wb。model I和model II差别较小，而model III比model I低26％。

图9为凸极齿三种分布情况下的反电势波形和谐波分布。从图中可以看出，反电势的情况和磁链相同，model I的基波幅值最高13.0V，model II次之12.7V，model III的基波幅值最低9.9V。对比可以发现，model I的凸极齿分布方式具有最好的效果。

图10为无永磁体，励磁绕组和电枢绕组作用时，电机的推力随电流变化曲线。当电枢绕组电流为5A是，励磁绕组电流从5A增加到20A时，推力从102N到320N；当电枢绕组电流为10A是，励磁绕组电流从5A增加到20A时，推力从172N到553N；当电枢绕组电流为15A 是，励磁绕组电流从5A增加到20A时，推力从194N到694N；当电枢绕组电流为20A是，励磁绕组电流从5A增加到20A时，推力从191N到736N。从结果来看，当电枢绕组电流为20A，励磁电流为5A时，电机已经饱和。

图11为励磁绕内放置永磁体，励磁绕组和电枢绕组均作用，电机的推力随电流变化曲线。当电枢绕组电流为5A时，励磁绕组电流从5A增加到20A时，推力从106N到360N；当电枢绕组电流为10A时，励磁绕组电流从5A增加到20A时，推力从180N到661N；当电枢绕组电流为15A时，励磁绕组电流从5A增加到20A时，推力从210N到866N；当电枢绕组电流为 20A时，励磁绕组电流从5A增加到20A时，推力从220N到952N。对比图10和11，可以看出永磁体的设计，一直了电机的饱和，电机具有更高的推力能力。

综上所述，本发明公开一种磁场调制式双凸极电机及其凸极齿分布设计方法，所述电机包括定子和动子，所述定子包括定子铁心、两套绕组和两套永磁体。每个定子齿分裂成两个励磁齿，每个励磁齿分裂成两个凸极齿。两套绕组分别为电枢绕组和励磁绕组，电枢绕组绕制于定子齿，励磁绕组绕制在由不同定子齿分裂而成的相邻励磁齿。两套沿切向充磁的永磁体分别放置在励磁槽槽口和槽底，放置于同一个槽以及相邻槽相同位置的永磁体极性相反。本发明双凸极的结构设计，使得磁场能够在气隙中调制出丰富的工作谐波，提升电机推力；永磁体磁路仅在定子齿中形成回路，解决了电机易饱和的问题。本发明的凸极齿分布设计方法，根据尺寸关系归纳凸极齿分布方式，结合磁场调制理论，运用公式推导求解定转子磁导、磁密、磁链和反电势等，通过改变凸极齿分布调整谐波贡献幅值，从而提升电机推力。本发明专利电机除了适用于直线结构外，该设计思路同样适用于旋转结构，该电机的所有激励均放置于定子上的结构特点，在需要长行程大推力的轨道交通中具有较大的应用前景。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种磁场调制式双凸极电机，其特征在于：包括定子(1)和动子(2)，所述定子包括定子铁心、定子齿(3)、电枢绕组(6)、励磁绕组(5)、永磁体1(81)、永磁体2(82)；每个定子齿(3)分裂成两个励磁齿(4)，每个励磁齿(4)分裂成凸极齿1(71)和凸极齿2(72)这两个凸极齿；

电枢绕组(6)绕制于定子齿(3)上，为了保证励磁绕组和电枢绕组中心线相差半个定子齿距，励磁绕组(5)绕制于由不同定子齿分裂所形成的两个相邻励磁齿(4)上；

永磁体1(81)、永磁体2(82)均为切向充磁，且均放置于励磁槽内，永磁体1(81)放置于励磁槽口，永磁体2(82)内嵌于励磁槽底部；相邻两槽相同位置放置的永磁体极性相反且相同槽内的永磁体极性也相反；单独永磁激励时，同一个槽内的两个永磁体在定子齿内形成一个封闭的磁路；

所述动子由多个转子凸极(9)排列构成，气隙磁场经过双边调制，气隙磁场中含有产生转矩的工作磁场谐波。

2.根据权利要求1所述的磁场调制式双凸极电机，其特征在于，由同一个励磁齿(4)分裂形成的凸极齿1(71)和凸极齿2(72)齿宽相互独立，互不影响；优化定子凸极齿的分布，调整每次工作磁场谐波的幅值来提升电机的推力。

3.根据权利要求1所述的磁场调制式双凸极电机，其特征在于：定子齿(3)齿数为N_s，凸极齿1(71)和凸极齿2(72)的宽度分别为β₁和β₂，放置电枢绕组(6)和励磁绕组(5)槽的槽口宽度分别为β₃和β₅，单个励磁齿(4)分裂后形成的励磁凹槽宽度为β₄，转子凸极(9)个数为N_r，每个齿极距为τ_p，各参数的关系可表示为：

β₁+β₂+β₃+β₄+β₅＝N_rτ_p/N_s。

4.根据权利要求3所述的磁场调制式双凸极电机的凸极齿分布设计方法，其特征在于：定子凸极齿的总数为4N_s，其中，凸极齿1(71)和凸极齿2(72)均为2N_s，凸极齿的分布与β₁、β₂、β₃、β₄和β₅有关，凸极齿分布的设计方法的主要为：归纳凸极齿的分布规律；推导每种情况下空载气隙磁密的阶次和幅值；再通过磁密求解出反电势，通过对比反电势的大小，得到凸极齿分布的最优方式；具体如下：

步骤1，以β₁、β₂、β₃、β₄和β₅为切入点，对凸极齿分布进行设计，以单个定子齿为基准，凸极齿的分布可归纳为下列三种模型Model：

模型1.当β₁、β₂、β₃、β₄和β₅五个变量互不相等时，每个定子齿具有一个最小单元；

模型2.当励磁绕组槽口和电枢绕组槽口宽度相等且凸极齿1(71)和凸极齿2(72)宽度相等，即β₁≠β₄≠β₃,β₁＝β₂,β₃＝β₅，则每个定子齿具有两个最小单元；

模型3.当励磁绕组槽口、电枢绕组槽口和励磁凹槽三者宽度相等且凸极齿1(71)和凸极齿2(72)宽度相等，即β₁≠β₃,β₁＝β₂＝β₄,β₃＝β₅，则每个定子齿具有四个最小单元；

步骤2，永磁体1(81)、永磁体2(82)仅在定子铁心内形成闭合的磁路，气隙磁密由励磁绕组产生，因而只需对励磁绕组进行分析，励磁绕组气隙磁动势为：

其中，F_fw为励磁绕组磁动势，i为正奇数，θ为转子转过的机械角度，N_f和i_f分别为每相串联匝数和励磁电流；

转子磁导为：

其中，j为正整数，θ为转子转过的机械角度，θ₀为转子初始位置角，ω为机械角速度，Λ_r0和Λ_rj分别为0和jN_r阶磁导系数；

由于上述公式只能定性分析而无法定量求解，为了定量分析转子磁导，根据电机尺寸参数，转子磁导Λ_r(θ,t)可表示为：

其中，u₀为相对空气磁导，δ为气隙长度，δ_r(θ,t)为转子侧气隙长度；

其中，m为正整数，β_r为转子槽口宽度，R_ap为气隙半径，t为所对应的时间；

步骤3，凸极齿的分布影响定子齿形，则定子磁导也随之变化，用变量S_p表示不同情况的最小单元数，则定子磁导Λ_s(θ)可表示为：

其中，k为正整数，Λ_s0和Λ_sk分别为0和kS_p阶磁导系数；

与转子磁导同理，上述公式也只能定性分析而无法定量求解，为了定量分析定子磁导，根据电机尺寸参数，定子磁导可表示为：

其中，n为正整数，δ_s(θ)为转子侧气隙长度，系数b_n表示为：

从定子磁导的定量表述形式来看，定子磁导谐波阶次和幅值均与S_p的取值有关；

步骤4，电机磁导为定子磁导和转子磁导合成磁导Λ(θ,t)：

励磁绕组磁密B(θ,t)表示为：

其中，Λ₀、Λ_k、Λ_j、Λ_kj分别为0阶、定子k阶、j次、kj次磁导系数，F_i为系数；

磁密由五部分组成，前两部分为静止的，其余部分为旋转的，而4和5两个部分的阶次均与kS_p有关，因而，不同S_p使得电机磁密的谐波组成及相应的幅值大小均变化；

步骤5，绕组函数N(θ)为：

其中，v为正整数，N_i为电枢绕组串联匝数；

每相磁链ψ_p(t)为：

其中，l_a为电机有效轴向长度；

反电势为：

通过上述公式推导，可以求得三种模型下的定子磁导、磁密、磁链和反电势，先从磁导模型分析凸极齿不同分布对定子磁导谐波的影响；然后，通过求得的磁密得出不同情况下磁密阶次和幅值的差异；之后，对比不同分布下的磁链大小；最后，通过求得的反电势得到最优的分布结构。

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