CN113258739B - 一种谐波函数型磁场调制电机 - Google Patents

一种谐波函数型磁场调制电机 Download PDF

Info

Publication number
CN113258739B
CN113258739B CN202110632130.7A CN202110632130A CN113258739B CN 113258739 B CN113258739 B CN 113258739B CN 202110632130 A CN202110632130 A CN 202110632130A CN 113258739 B CN113258739 B CN 113258739B
Authority
CN
China
Prior art keywords
harmonic
modulation
magnetic field
motor
harmonic function
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110632130.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113258739A (zh
Inventor
徐炜
王海涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN202110632130.7A priority Critical patent/CN113258739B/zh
Publication of CN113258739A publication Critical patent/CN113258739A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113258739B publication Critical patent/CN113258739B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/02—Machines with one stator and two or more rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/16—Stator cores with slots for windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

本发明提供了一种谐波函数型磁场调制电机，施加于定转子间的调制环由若干个以谐波函数削极的调制块组成，区别于传统矩形调制块，谐波函数调制极可呈梯形函数型、正弦函数型、弧边梯形函数型等特殊几何形状。其中，谐波函数根据调制磁场谐波分布特征建立，增强工作谐波并削弱无用谐波。谐波函数调制极将气隙磁场调控策略集成于电机本体结构，实现气隙磁场内谐波分布畸变的有效抑制，提升转矩特性并扩大电机运行特性。谐波函数型磁场调制电机具有工作谐波幅值高，谐波分布畸变小，机电能量转换效率高，可实现电机全运行范围内高输出转矩、低转矩脉动高效平稳运行、电机结构简单、电机控制系统简单、易制造装配、工业应用广泛等优点。

Description

一种谐波函数型磁场调制电机
技术领域
本发明涉及永磁磁场调制电机领域，具体的是一种谐波函数型磁场调制电机。
背景技术
伴随着中国经济实力与人民生活水平的提升，我国已经从经济高速增长时代进入了节能减排、能源可持续发展的绿色经济时代。电机作为最主要的机电能量转换装置，能够生产清洁可再生能源或提供驱动力，广泛应用于生产生活中，因此，强化高效电机设计技术与结构创新对推动绿色发展具有重大意义。
随着永磁材料性能的提升与其工业应用前景的扩展，永磁电机以高效、高功率密度及运行可靠等优点已取代传统电励磁电机广泛应用于航天、航海及交通运输等领域。在工程上，大部分永磁电机驱动系统采用“高速电机+机械齿轮”的组合，以提高电机的转矩密度。然而，这样的组合会带来摩擦损耗大、转动惯量大、动态性能差以及运行可靠性低等一系列问题。为了解决这些问题，电机研究人员将磁齿轮与永磁电机相结合，提出了磁场调制电机，其基于“磁齿轮效应”，电机内转速较高的电枢磁场可以被调制成转速较低的谐波磁场，与极对数少的旋转磁场耦合产生大输出转矩，因此磁场调制电机具有低速大转矩的特点，并有效提高了电机驱动系统转矩密度，受到了国内外学者的广泛关注。
磁场调制电机气隙磁场中基波可被调制为若干个工作谐波，以产生输出转矩，实现机电能量转换，但是，无用谐波数量及幅值也会随之升高，导致气隙磁场谐波分布畸变变大，不可避免地造成电机内磁场利用率低及输出转矩质量低等问题，限制了磁场调制电机的工业应用前景。
综合已发表的文献来看，目前国内外电机研究人员从励磁结构、绕组、辅助齿结构和电机结构组合等方面改进磁场调制电机拓扑结构以提升输出转矩，常见以下问题：1)电机拓扑结构复杂，导致电机装配困难、机械强度低；2) 引起更为严重的谐波分布畸变，导致电机的齿槽转矩及转矩脉动增大，降低电机运行的平稳性；3)采用定子永磁励磁的电机输出转矩能力差，且易造成因温升高导致的永磁体不可逆退磁，降低电机的可靠性。
为了解决谐波分布畸变大的问题，增强工作谐波并削弱无用谐波，提升输出转矩质量，突破制约磁场调制电机发展的瓶颈，本项目提出新型的谐波函数型磁场调制电机，抑制调制磁场内谐波分布畸变。对谐波函数型磁场调制电机进行初步分析，电机电磁性能优越，具有重要的理论探索价值和广阔的工程应用前景，并为磁场调制电机的优化提供理论基础。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种谐波函数型磁场调制电机，本发明通过提供一种结构简单，输出转矩高且转矩脉动低，在全运行范围内高效平稳运行的谐波函数型磁场调制电机，实现气隙磁场内谐波分布畸变的抑制，提升转矩特性并扩大电机运行特性，可克服传统磁场调制电机齿槽转矩与转矩脉动大的缺点。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种谐波函数型磁场调制电机，包括转子、调制环和定子，所述转子包括轴、转子铁心、永磁极和铁心极，所述调制环包括谐波函数调制极和端环，所述定子包括定子齿、定子轭、绕组和绕组端部；
所述谐波函数调制极呈梯形函数型、正弦函数型、弧边梯形函数型任一特殊几何形状，用于调制电机内气隙磁场并调控谐波分布。
进一步地，所述谐波函数调制极以谐波函数对传统矩形调制极进行削极，谐波函数根据调制磁场谐波分布特征建立，用于增强气隙磁场内工作谐波并削弱无用谐波。
进一步地，谐波函数型调制极作为谐波函数型结构调控磁场，包括组成调制环的形式调制气隙磁场，谐波函数型结构包括与定子齿合并形成调制极、形成谐波函数调制型凸极转子、谐波函数型励磁源；
所述谐波函数型调制结构调制并调控电机内气隙磁场谐波分布，用于降低气隙磁场的谐波畸变，提升转矩特性并扩大电机运行特性；
当电机空载时，所述谐波函数型调制极用于降低电机的齿槽转矩，并使得空载反电势波形正弦度高；
当电机负载时，所述谐波函数型调制极用于降低电机的转矩脉动，并提高输出转矩。
进一步地，电机励磁源极对数、调制极对数与电枢磁场齿谐波次数满足磁齿轮效应。
本发明的有益效果：
1、可有效的增加工作谐波，谐波分布畸变小，气隙磁场利用率高，机电能量转换效率高；
2、电磁特性优越，可实现电机全运行范围内高输出转矩、低转矩脉动高效平稳运行，并提高电机扩大运行特性；
3、仅改变调制极结构，电机结构简单、易制造装配、工业应用广泛；
4、本体结构集成气隙磁场调控策略，区别于现有技术中采用控制手段实现降低高次谐波功能可有效简化电机控制系统；
5、调控函数调制极具有数学解析模型，便于采用逆模型方法进行气隙磁场优化。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明实施例部分提供的一种谐波函数型磁场调制电机的沿轴线的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例部分提供的一种谐波函数型磁场调制电机中转子的结构示意图；
图3是本发明实施例部分提供的一种谐波函数型磁场调制电机中调制环的结构示意图；
图4是本发明实施例部分提供的一种谐波函数型磁场调制电机的径向截面结构示意图。
图中：1-转子，101-轴，102-转子铁心，103-永磁极，104-铁心极，2-调制环，201-谐波函数型调制极，202-端环，3-定子，301-定子齿，302-定子轭， 303-绕组，304-绕组端部。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种谐波函数型磁场调制电机，如图1-4所示，包括：转子1、调制环2和定子3，其中，转子1包括轴101，转子铁心102，永磁极103，铁心极104，调制环2包括谐波函数型调制极201，端环202，定子3包括定子齿301，定子轭 302，绕组303，绕组端部304。
调制环2由谐波函数型调制极201和端环202组成，如图3和图4所示，其中，谐波函数调制极201以谐波函数对传统矩形调制极进行削极，形成以梯形函数型、正弦函数型、弧边梯形函数型等特殊几何形状。
其中，谐波函数根据调制磁场谐波分布特征建立，增强气隙磁场内工作谐波并削弱无用谐波，降低气隙磁场谐波分布畸变，提高反电势幅值及其正弦度，提升输出转矩质量，降低齿槽转矩。
谐波函数调制极201根据磁齿轮效应调制气隙磁场，将高速旋转的电枢磁场调制为低速旋转的谐波磁场与低速旋转的转子永磁磁场耦合，以产生大输出转矩，进而电机获得低速大转矩的运行特点。
当电机空载时，所述谐波函数型调制极201用于降低电机的齿槽转矩，并使得空载反电势波形正弦度高；
当电机负载时，所述谐波函数型调制极201用于降低电机的转矩脉动，并提高输出转矩。
谐波函数调制极201沿径向内、外侧边分别为同圆心等半径圆弧，其基于最小磁阻原理，并保证电机电磁性能良好，并运行平稳。
谐波函数调制极201沿周向两侧边由所谐波函数进行削极，调控气隙磁场的谐波分布，与现有磁场调制电机相比，本发明中谐波函数型磁场调制电机具有工作谐波幅值高，谐波分布畸变小，机电能量转换效率高的特点。
本电机采用的谐波函数调制极201，实现将气隙磁场调控策略集成于电机本体结构，区别于现有技术中采用控制手段实现抑制谐波畸变。
电枢绕组303采用分数槽集中绕组，分数槽集中绕组缠绕在定子齿上。本实施例中，由于分数槽集中绕组端部短于传统分布式绕组端部，铜耗低，有利于降低电机负载工作时的温升；分数槽集中绕组产生的齿谐波幅值高，齿谐波次数与由转子永磁极103励磁经谐波函数调制极201调制后的磁场内工作谐波次数相同，可产生大输出转矩。
电机励磁源极对数、调制极对数与电枢磁场齿谐波次数满足磁齿轮效应，使电机具有低速大转矩的特点，提高电机转矩密度，并适用于直驱应用场合。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (2)

1.一种谐波函数型磁场调制电机，包括转子（1）、调制环（2）和定子（3），其特征在于，所述转子（1）包括轴（101）、转子铁心（102）、永磁极（103）和铁心极（104），所述调制环（2）包括谐波函数调制极（201）和端环（202），所述定子（3）包括定子齿（301）、定子轭（302）、绕组（303）和绕组端部 （304）；
所述谐波函数调制极（201）是根据谐波函数对传统调制极进行削极，用于增强气隙磁场内工作谐波并削弱无用谐波，调制电机内气隙磁场并调控谐波分布，谐波函数调制极（201）面对内气隙和外气隙的边是由一组正弦曲线组合的特殊几何形状，特殊几何形状可呈梯形函数型、正弦函数型、弧边梯形函数型任一种几何形状，所述正弦曲线幅值均小于调制极径向长度的1/2,波长均小于调制极周向长度的8倍；
所述谐波函数是通过建立采用传统调制极的电机气隙磁场数学模型，消除该磁场内谐波畸变，从而构建最佳的气隙磁场数学模型，反向推算可构成该最佳磁场数学模型的函数，进而所得到的调制极结构函数。
2.根据权利要求1所述的一种谐波函数型磁场调制电机，其特征在于，谐波函数型调制极（201）作为谐波函数型结构调控磁场，包括组成调制环（2）的形式调制气隙磁场，谐波函数型结构包括与定子齿（301）合并形成调制极、形成谐波函数调制型凸极转子、谐波函数型励磁源；
所述谐波函数型调制结构调制并调控电机内气隙磁场谐波分布，用于降低气隙磁场的谐波畸变，提升转矩特性并扩大电机运行特性；
当电机空载时，所述谐波函数型调制极（201）用于降低电机的齿槽转矩，并使得空载反电势波形正弦度高；
当电机负载时，所述谐波函数型调制极（201）用于降低电机的转矩脉动，并提高输出转矩。
CN202110632130.7A 2021-06-07 2021-06-07 一种谐波函数型磁场调制电机 Active CN113258739B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110632130.7A CN113258739B (zh) 2021-06-07 2021-06-07 一种谐波函数型磁场调制电机

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110632130.7A CN113258739B (zh) 2021-06-07 2021-06-07 一种谐波函数型磁场调制电机

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113258739A CN113258739A (zh) 2021-08-13
CN113258739B true CN113258739B (zh) 2022-06-14

Family

ID=77186798

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110632130.7A Active CN113258739B (zh) 2021-06-07 2021-06-07 一种谐波函数型磁场调制电机

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113258739B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101478207A (zh) * 2009-01-19 2009-07-08 南昌大学 双馈混合磁极永磁电机
CN104201848A (zh) * 2014-07-04 2014-12-10 东南大学 一种双定子永磁游标风力发电机
GB201700731D0 (en) * 2017-01-16 2017-03-01 Magnomatics Ltd An electrical machine and a method of operating an electrical machine
CN106655671A (zh) * 2016-12-12 2017-05-10 华中科技大学 一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机及其应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101478207A (zh) * 2009-01-19 2009-07-08 南昌大学 双馈混合磁极永磁电机
CN104201848A (zh) * 2014-07-04 2014-12-10 东南大学 一种双定子永磁游标风力发电机
CN106655671A (zh) * 2016-12-12 2017-05-10 华中科技大学 一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机及其应用
GB201700731D0 (en) * 2017-01-16 2017-03-01 Magnomatics Ltd An electrical machine and a method of operating an electrical machine

Also Published As

Publication number Publication date
CN113258739A (zh) 2021-08-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101651395B (zh) 一种正弦波电流自起动三相稀土永磁同步电动机
CN110611384B (zh) 一种磁路分解型游标永磁电机
CN101436793A (zh) 电动汽车用高功率宽调速内置式永磁无刷轮电机
CN111082548A (zh) 一种定子模块化混合励磁交替极磁通反向电机
CN111786527B (zh) 一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机
CN111313576B (zh) 一种模块化永磁电机
CN106712332B (zh) 励磁直接控制交直轴自解耦的宽转速调速电机
CN113949244B (zh) 一种单齿集中绕组少谐波轴向磁通电机
CN112713668B (zh) 一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机
CN111262359B (zh) 一种高转矩密度磁通反向电机
CN113258739B (zh) 一种谐波函数型磁场调制电机
CN113141097A (zh) 一种磁场调制混合励磁横向磁通直线发电机
CN111900852A (zh) 一种可控横向磁场调制直线发电机
CN115714485A (zh) 一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机
CN115566870A (zh) 一种基于波浪型气隙的高推力密度圆筒直线电机
CN113517797A (zh) 一种混合定子极定子永磁电机
CN111293849B (zh) 一种组合式转子调制器磁通反向永磁电机
CN201194346Y (zh) 一种切向磁钢永磁电机
CN114899957A (zh) 一种三-三相分裂齿永磁游标电机设计方法
CN110808673B (zh) 一种新型双定子Halbach交替极永磁游标电机
CN209375279U (zh) 一种提升表贴式永磁同步电机性能的转子结构
Hussain et al. Cogging torque reduction of flux-switching permanent magnet machine with overlapping windings
CN113131631B (zh) 一种电动汽车驱动电机
CN215420027U (zh) 一种双定子单转子交替极电机
Zhuang et al. Electromagnetic performances analysis of a hybrid-permanent-magnet motor capable of high torque

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant