CN113890289B - 一种多磁动势永磁体阵列的设计方法及磁通反向电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多磁动势永磁体阵列的设计方法及磁通反向电机，属于永磁电机设计技术领域。该方法引入多工作磁动势概念，将多个具有不同幅值、相位和极对数的目标正弦磁动势进行复合，然后对复合波形进行简化，从而得到阶梯状的磁动势结构。根据该阶梯磁动势波形结构在圆周方向上放置相应极性和厚度的永磁体，从而得到一种特殊的永磁体排布方式，其能够在气隙中同时产生多个不同极对数的主要磁场，磁场的相位和比例与设计值相吻合。本发明方法能够实现任意多磁动势永磁体阵列的定向设计，起到增加永磁体产生的工作磁动势的作用。本方法得到的多磁动势永磁体阵列能够广泛用于磁通反向电机的转矩优化设计，在不增加成本的情况下显著增加电机性能。

Description

一种多磁动势永磁体阵列的设计方法及磁通反向电机

技术领域

本发明属于永磁电机设计技术领域，更具体地，涉及一种多磁动势永磁体阵列的设计方法及磁通反向电机。

背景技术

永磁电机有着高转矩密度、高效率等优点，近年来被广泛用于伺服控制、电动汽车、风力发电等领域。磁通反向电机将永磁体表贴于定子内表面，能较好地控制永磁体温度，对转子散热更为有利；且转子结构简单、转动惯量低，适合高速和高温应用。近年来磁场调制原理在永磁电机中的研究不断发展，人们发现磁通反向电机可被视为一种励磁静止型的磁场调制永磁电机。由于磁通反向电机仅有经转子调制后产生的旋转磁场参与机电能量转换，其转矩密度一般不如转子永磁型电机。为了提升磁通反向电机的转矩密度，研究人员提出了包括分离定子、混合励磁等方法，但这些方法要么需要增加气隙和机械结构件、要么需要增加开关管等电子元器件，在实用性和经济性上存在不足，制约了磁通反向电机在高性能场合的应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多磁动势永磁体阵列的设计方法及磁通反向电机，旨在通过对永磁体阵列的定向设计，能够实现多磁动势复合利用以提升磁通反向电机的反电势和输出转矩。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种多磁动势永磁体阵列的设计方法，所述永磁电机包括缠绕有绕组的定子、永磁体阵列以及转子，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，方法包括：

S1.根据所选取的n个具有不同极对数的目标磁动势参数，构建目标复合磁动势F_m；

其中，n为大于等于2的整数，目标磁动势的极对数分别为P₁,P₂,P₃…，目标磁动势的幅值比例系数分别为A₁,A₂,A₃…，目标磁动势的相位为

θ为永磁体阵列的周向位置角度；

S2.设定θ阶梯函数N_step构建θ的分段区间，并设定阶梯函数阈值V_th，通过判断每个周向角度位置θ下的目标复合磁动势F_m与阈值的关系，得到阶梯磁动势F_m-step(θ)的大小：

S3.在整个圆周范围内，在F_m-step(θ)＝1的位置放置N极永磁体，在F_m-step(θ)＝-1的位置放置S极永磁体，在F_m-step(θ)＝0的位置不放置永磁体，得到多磁动势永磁体阵列排布方式。

进一步地，所述多磁动势永磁体阵列具有两个或以上的主要磁动势，它们的极对数分别为P_i＝P₁,P₂,P₃…，它们的磁动势幅值大小为A₁,A₂，A₃…，且幅值依次减小。基于帕塞瓦尔定理，这些磁动势的大小具有如下关系：

其中k_PM为定子永磁体阵列的总极弧系数，其值小于等于1；B_r为永磁体剩磁，d_m为永磁体厚度。因此，所有主磁动势幅值的平方和存在上限。

在磁动势幅值平方和存在上限的情况下，多个主磁动势幅值的代数和高于单一主磁动势的幅值。例如，通过数学定理可知，当主磁动势个数为2时，两个主磁动势幅值的代数和上限为

而当仅有一个主磁动势时，该主磁动势幅值的上限为

可见，增加主磁动势个数可以有效地提升主磁动势的代数和，继而增加工作气隙磁密的幅值之和。

本发明另一方面提供了一种磁通反向电机，包括同轴套设的定子、凸极转子、转轴。所述定子由定子绕组和定子铁心，以及定子铁心靠近气隙侧表贴的径向充磁的定子永磁体组成；所述定子永磁体阵列由本发明第一方面所述的多磁动势永磁体阵列的设计方法形成；所述凸极转子由转子铁轭和Z_r个均匀分布的凸极铁齿组成，其转速为ω_r，其作用是调制定子P_i对极的永磁体磁动势，从而产生|Z_r-P_i|对极的气隙磁密，且|Z_r-P_i|对极气隙磁密的机械转速为

因此电磁转速为Z_rω_r。

进一步地，定子绕组需采用分数槽集中绕组结构，使得其具有多个互为齿谐波的绕组极对数，这些极对数的绕组系数均相同，且这些极对数满足|p_ei±p_em|＝kZ_s，即任意两个极对数的和或差为定子槽数的整数倍，将具有相同绕组系数的所有极对数中最小的一个称为电枢极对数p_e1，则按照从小到大可将其他绕组极对数命名为p_e2,p_e3…，存在p_e2<p_e3<p_e4…,且它们与p_e1的关系均满足

进一步地，为了保证每个线圈中的产生的反电势幅值相等且正负对称，目标磁动势的极对数P_i需等于定子槽数Z_s的整数倍。

进一步地，定子绕组极对数p_e1，转子凸极齿数Z_r与目标磁动势的极对数P_i三者的关系满足下式：

|Z_r-P_i|＝p_ei i＝1,2...

即P_i对极的定子永磁磁动势经转子凸极调制后产生的气隙磁密极对数与定子分数槽集中绕组的绕组极对数相匹配，这些极对数绕组系数均相同。同时，这些气隙磁密的电磁转速均为Z_rω_r。因此所有的定子主磁动势产生的|Z_r-P_i|对极气隙磁密均能在绕组中产生频率一致的反电势，且反电势频率为f＝Z_rω_r/2π。

进一步地，为了实现最大的转矩输出，需使得幅值最大的定子磁动势极对数P₁与绕组最小极对数p_e1满足

|Z_r-P₁|＝p_e1

因此，该磁动势产生的气隙磁密具有最大的极比和反电势系数。类似地，幅值第二大的定子磁动势极对数P₂与绕组第二小极对数p_e2满足：

|Z_r-P₂|＝p_e2

以此类推，从而可以根据转子凸极齿数Z_r和定子绕组的槽极数和绕组系数来确定定子永磁体阵列的多个主磁动势的极对数和大小关系。

本发明没有显著提升电机的成本和结构复杂度，且转矩提升效果显著，具有良好的应用价值。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的多磁动势永磁体阵列设计方法，可根据需要选择磁动势的极对数和幅值比例，实现了多个磁动势和气隙磁密的定向设计。

(2)本发明提供的多磁动势永磁体阵列设计方法，考虑帕塞瓦尔定理揭示的谐波在时域和频域上的关系，确定了目标磁动势幅值平方和的上限，并基于此确定多个磁动势的幅值比例。

(3)本发明提供的多磁动势永磁体阵列设计方法，通过调整阶梯阈值大小、磁钢宽度等方式，能较为准确地得到所需要的磁动势比例，且其他次谐波磁动势幅值均较小，永磁体利用率高。

(4)本发明提出的多磁动势永磁体阵列，其多个目标磁动势的平方和虽然比单一磁动势永磁体阵列的磁动势平方低，但多个目标磁动势的代数和较单一磁动势永磁体阵列产生的磁动势高，为磁通反向电机的性能提升提供了可能。

(5)本发明提出的多磁动势永磁体阵列，当应用于磁通反向电机时，能显著提升电机的反电势和输出转矩，同时成本和结构复杂度没有增加，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的多磁动势永磁体阵列设计流程；

图2为基于本发明提供的设计方法设计得到的具有12对极和18对极磁动势的永磁体阵列2维有限元模型，及其磁密和磁力线分布；

图3(a)为基于本发明提供的设计方法设计得到的具有12对极和18对极磁动势的永磁体阵列气隙磁密波形；

图3(b)为图3(a)中气隙磁密波形的各次谐波成分与单一12对极永磁体阵列气隙磁密谐波成分的对比；

图4为具有12对极和18对极磁动势的永磁体阵列随着12对极幅值比例设定值变化，气隙中12对极磁密幅值、18对极磁密幅值的平方和以及代数和的变化情况；

图5为基于本发明提供的设计方法设计得到多磁动势永磁体阵列磁通反向电机，以及其磁密和磁力线分布；

图6为基于本发明提供的设计方法设计得到多磁动势永磁体阵列磁通反向电机转矩和转矩脉动随12对极磁动势比例变化的变化情况；

附图说明：1、永磁体阵列外铁心，2、多磁动势永磁体阵列，3、永磁体阵列内铁心，4、磁通反向电机定子铁心，5、磁通反向电机定子绕组，6、磁通反向电机凸极转子。

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不构成冲突就可以相互组合。

如图1所示为本发明提供的一种多磁动势永磁体阵列设计方法的流程图。根据该流程图，对具有两个磁动势的多磁动势永磁体阵列的设计流程如下：

1.确定两个磁动势的极对数，在实施例中，选择极对数分别为12和18，其相位均为0。设定两个磁动势的目标幅值的平方和为1，因此当12对极设定磁动势幅值增加时，18对极设定磁动势幅值相应减小；

2.根据12对极和18对极磁动势的目标幅值和相位，在2π角度下构建两个磁动势的理想正弦波形，并将两个波形叠加，得到一个仅包含两种磁动势谐波的理想磁动势波形函数；

3.确定阶梯阈值V_th，将理想磁动势波形函数的幅值大于+V_th的对应角度区域设为N极，将理想磁动势波形函数小于-V_th的对应角度区域设为S极，将将理想磁动势波形函数在+V_th和-V_th之间对应角度区域设为气隙间隙，由此得到了简化的多磁动势永磁体阵列磁钢排布；

4.根据得到的磁钢排布信息，在圆周方向上放置不同极性和宽度的磁钢，完成多磁动势永磁体阵列的定向设计和制造。

图2显示的多磁动势永磁体阵列为本发明的第一个实施例，多磁动势永磁体阵列2位于永磁体阵列外铁心1和永磁体阵列内铁心3中间，在该具体实施例中，选取的两个磁动势极对数分别为P₁＝12,P₂＝18，两个磁动势的相位均为0，两个磁动势的幅值系数均为0.5。除了永磁体阵列外，永磁体阵列的两边具有铁心环，且永磁体阵列的内侧具有一层较小的气隙。通过这样的布置，可以对多磁动势永磁体阵列产生的气隙磁密进行仿真和分析。

图3(a)和图3(b)给出了第一个实施例下气隙径向磁密的波形以及各次谐波成分的幅值，并与12对极单一磁动势永磁体阵列的气隙磁密进行了对比。可以看到，传统12对极单一磁动势阵列中，仅存在12对极以及12的奇数倍的气隙磁密；而在多磁动势永磁体阵列中，气隙磁密具有多个谐波成分，且其中12对极和18对极谐波成分的幅值相近，均可被视为主磁场。可见，在多磁动势永磁体阵列中，存在多个幅值较大的主磁动势。

图4给出了第一个实施例下改变12对极幅值比例时，气隙中12对极和18对极磁密幅值的平方和以及代数和的变化情况。根据帕塞瓦尔定理，所有磁动势幅值的平方和为一个定值。可以发现，虽然由于磁动势谐波的增加，多磁动势永磁体阵列中主磁动势产生的主气隙磁密幅值的平方和有所下降，但主气隙磁密的代数和高于单一磁动势永磁体阵列产生的主气隙磁密幅值，因此当多个磁动势均对永磁电机的反电势有贡献时，多磁动势永磁体阵列有望增加电机的反电势和转矩性能。

图5给出了一种采用该设计方法得到的具有18对极及24对极两种工作磁动势的磁通反向电机，为本发明的第二个实施例。磁通反向电机凸极转子6为22对转子，磁通反向电机定子绕组5为6槽4极双层集中绕组结构，绕组系数为0.866。其工作原理为：定子18对极和24对极的静止磁动势经凸极转子调制产生4对极和2对极的气隙磁场，这两种旋转气隙磁场能在绕组中产生频率相同的反电势。在多磁动势阵列中，18对极和24对极磁动势幅值代数和要大于单一磁动势永磁体阵列的磁动势幅值，因此能够提升反电势，增加电磁转矩。

图6给出了本发明第二个实施例多磁动势磁通反向电机的负载转矩及转矩脉动随着18对极幅值比例的变化情况。可以看到，当18对极的磁动势比例增加为0.4时，电机输出转矩较仅有24对极磁动势时增加16％，但同时转矩脉动增加至1.38Nm。当18对极磁动势比例增加为0.5时，电机输出转矩也能增加11％，同时转矩脉动与定子24对极的常规磁通反向电机相近。综合来看，本发明的实施例显示，本发明公开的多磁动势永磁体阵列设计方法能更准确地定向设计多个磁动势的比例和相位关系。将该设计方法用于磁通反向电机设计时，能够在不增加永磁体用量的情况下明显提升电机的反电势和转矩密度。

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 (7)

1.一种多磁动势永磁体阵列的设计方法，所述永磁电机包括缠绕有绕组的定子、永磁体阵列以及转子，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，其特征在于，方法包括：

S1.根据所选取的n个具有不同极对数的目标磁动势参数，构建目标复合磁动势F_m；

其中，n为大于等于2的整数，目标磁动势的极对数分别为P₁,P₂,P₃…，目标磁动势的幅值比例系数分别为A₁,A₂,A₃…，目标磁动势的相位为

θ为永磁体阵列的周向位置角度；其中，A_i≠0，i＝1,2,3…；

S2.设定θ阶梯函数N_step构建θ的分段区间，并设定阶梯函数阈值V_th，通过判断每个周向角度位置θ下的目标复合磁动势F_m与阈值的关系，得到阶梯磁动势F_m-step(θ)的大小：

S3.在整个圆周范围内，在F_m-step(θ)＝1的位置放置N极永磁体，在F_m-step(θ)＝-1的位置放置S极永磁体，在F_m-step(θ)＝0的位置不放置永磁体，得到多磁动势永磁体阵列排布方式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多磁动势永磁体阵列的磁动势的大小满足：

其中，k_PM为永磁体阵列的总极弧系数，B_r为永磁体剩磁，d_m为永磁体厚度，μ₀为空气磁导率。

3.一种磁通反向电机，包括同轴套设的定子、凸极转子和转轴，其特征在于，所述定子由定子绕组和定子铁心，以及定子铁心靠近气隙侧表贴的径向充磁的定子永磁体阵列组成；所述定子永磁体阵列由权利要求1或2所述的多磁动势永磁体阵列的设计方法形成；所述凸极转子由转子铁轭和Z_r个均匀分布的凸极铁齿组成。

4.根据权利要求3所述的电机，其特征在于，定子绕组为分数槽集中绕组结构，任意两个电枢极对数的和或差为定子槽数的整数倍，即：

|p_ei±p_em|＝kZ_s

其中，p_ei和p_em为定子绕组的任意两个电枢极对数，k为整数，Z_s为定子槽数。

5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，目标磁动势的极对数P_i为定子槽数Z_s的整数倍。

6.根据权利要求3所述的电机，其特征在于，定子主磁动势产生的|Z_r-P_i|对极气隙磁密均在绕组中产生频率一致的反电势，且反电势频率为f＝Z_rω_r/2π，其中，ω_r为凸极转子转速。

7.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，定子绕组极对数p_ei，转子凸极齿数Z_r与目标磁动势的极对数P_i三者的关系满足下式

|Z_r-P_i|＝p_ei

其中，i＝1,2，…,n，n为大于等于2的整数。

Images