CN114726119A - 一种单绕组双励磁磁场调制电机及其协同励磁设计方法 - Google Patents

一种单绕组双励磁磁场调制电机及其协同励磁设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种单绕组双励磁磁场调制电机及其协同励磁设计方法，所述电机包括定子、转子、绕组以及永磁体；其中定子上包含有定子铁心、永磁体和绕组；定子铁心包括定子齿和定子轭；每个定子齿面向气隙侧分裂成任意个相等数目分裂齿，所有永磁体均表嵌在同一定子齿上分裂齿间的凹槽内，且位于同一个定子齿上的所有永磁体的极性相同，相邻定子齿上的永磁体极性相反；所有定子齿上均绕制有单个无重叠集中绕组，每套绕组中同时通入直流电流和交流电流，其中直流电流与永磁体共同励磁，形成双励磁。本发明将交流和直流电流集成于同一套绕组，消除励磁绕组，形成单绕组结构，本发明有效增强了单绕组双励磁磁场调制电机的转矩密度和调磁能力。

Description

一种单绕组双励磁磁场调制电机及其协同励磁设计方法
技术领域
本发明涉及到新能源领域的高端电机的本体及设计方法，特别是具有高转矩密度高调磁性能的单绕组双励磁磁场调制电机及设计方法。
背景技术
双励磁电机综合了电励磁电机和永磁电机的优点，具备磁场可调、转矩密度大、高效率区域宽的特点，因而具有重要的研究价值，在风力发电和电动汽车等领域具有广阔的应用前景。
中国发明专利申请号201510474238.2公开了一种双励磁电机，电枢绕组和励磁绕组均放置于定子侧，避免了电刷和滑环，电机可靠性高。然而，电枢和励磁两套绕组在定子槽中存在空间竞争，使转矩的提升受到极大的限制。为了进一步增加电机的可靠性，中国发明专利申请号201910281738.2公开了一种长导磁双凸极电机，该电机设计方案将两套绕组和永磁体均放置于定子侧，有利于对励磁源温度进行统一管理，避免励磁源局部过热问题；转子结构简单仅为凸极结构，提高了运动部分的可靠性。为了缓解定子空间上的竞争冲突，设计了长导磁齿，减小永磁体和励磁绕组尺寸对电枢绕组的影响，该设计有效提升电枢和励磁两套绕组的槽面积，使得电机具有较高的输出转矩和调磁能力。虽然该方案通过导磁齿设计缓解了定子部分两套绕组所带来的空间冲突，但并不能从根本上解决绕组槽面积受限的问题。此外，该方案定子结构复杂，增加了电机加工的难度，两套绕组下线难度大的问题也随之产生。中国发明专利申请号202011475772.2公开了一种多目标优化方法用于优化双励磁电机，将智能优化算法与单独参数独立优化相结合，对电机的铁心极弧、气隙长度、定子轭宽度、槽口极弧等参数进行优化，提升了电机的输出转矩和调磁能力。但是，该方法并未对电机的极槽配合以及双励磁源进行针对性设计，无法为电机优化设计提供理论指导。并且该方法需要采用有限元方法对设计变量和设计目标之间进行拟合，计算复杂度高，优化花费时间长。
综上分析，对于双励磁电机而言，利用磁场调制原理，可以有效提升电机性能，但如何将电枢绕组和励磁绕组合二为一形成单绕组结构，以解决两套绕组在空间上冲突，是进一步提升电机性能的重要手段。此外，为了进一步提升电机性能，需要从两个磁动势源头出发，对其二者进行协同设计，优化极槽配合和关键的结构参数，从而设计出具有高转矩密度和高调磁性能的双励磁拓扑电机。最后，随着调磁能力的提升，避免电流励磁磁场对永磁体产生不可逆退磁的威胁，两励磁源的并联设计也是必要的技术手段。
发明内容
本发明的目的是，针对现有双励磁电机的不足，提出一种单绕组双励磁磁场调制电机及其协同励磁设计方法，采用单绕组设计将电枢绕组和励磁绕组合二为一，消除双励磁电机中两套绕组空间竞争；定子采用分裂齿结构和永磁体表嵌在分裂齿间凹槽内，建立了直流电流和永磁体协同励磁设计方法，推导出不同极槽配合下永磁和直流电流励磁反电势公式，确定优选的极槽配合；在此基础上，通过分析永磁体极弧和分裂齿极弧对永磁励磁有效磁动势和直流电流励磁有效磁动势的影响规律，获得两个极弧的最优选取区域，实现双励磁磁场的利用效率的提升，从而有效增强单绕组双励磁磁场调制电机的转矩密度和调磁能力。同时，发明的电机永磁磁路和励磁磁路相互独立，降低了永磁体产生不可逆退磁的风险。
具体地说，本发明的电机是采取以下的技术方案来实现的：一种单绕组双励磁磁场调制电机，包括定子、转子(1)，定子上包含有定子铁心、永磁体(6)和绕组，其中定子铁心由Ns个定子齿(3)和定子轭(2)组成；每个定子齿(3)面向气隙侧分裂成任意相等数目n个分裂齿(5)且n＞1，永磁体(6)表嵌在同一定子齿上分裂齿间的凹槽内，每个永磁体(6)被同一定子齿上两个分裂齿(5)包夹，每个定子齿上的永磁体(6)的数目为n-1，且同一个定子齿(3)上的永磁体(6)极性均相同；相邻两定子齿(3)上的永磁体(6)极性相反，电机中永磁体(6)的总个数Npm为(n-1)Ns，分裂齿(5)的总个数为n Ns；所有定子齿上均绕制有单个无重叠集中绕组，每套绕组中同时通入直流电流和交流电流，其中直流电流与永磁体(6)共同励磁，形成双励磁；所有绕组中直流电流的幅值相等，同时直流电流的流通方向根据相邻绕组中直流电流产生方向相反的磁场确定，以产生有效的直流电流励磁磁场与永磁体(6)形成有效双励磁，转子部分由转子轭部和凸极组成，凸极极数为nNs+m，m为任意自然数。
进一步，电机绕组连接成两组三相绕组，两组三相绕组分别通过两个三相逆变电路控制；绕组中直流电流与永磁体(6)形成双励磁磁场，为电机提供励磁，而绕组中三相交流电流产生旋转磁场与励磁磁场相互作用，从而产生连续转矩；具有相同极性永磁体(6)的定子齿上绕制的绕组构成一组三相绕组，具有另一种相同极性永磁体(6)的定子齿上绕制的绕组构成第二组三相绕组；直流电流产生的励磁磁场与永磁体产生的永磁磁场共同作用，产生双励磁效果；两组三相绕组的直流电流大小相同，同时直流电流的流通方向根据相邻绕组中直流电流产生方向相反的磁场确定，两组三相绕组形成的励磁磁场与其各个定子齿上永磁体磁场方向均相同时为增磁，而与其各个定子齿上永磁体磁场方向均相反时为弱磁。
进一步，当m为奇数时，两组三相绕组连接成星形连接且中性点相连，通过控制中性点上电流调节直流电流以控制直流电流励磁磁场；当m为偶数时，两组三相绕组连接成星形连接但中性点相连或者两组三相绕组连接成三角形连接，通过直接控制每套绕组中的直流电流控制直流电流励磁磁场。
进一步，所述的电机是内转子结构，或者是外转子结构。
本发明的一种单绕组双励磁磁场调制电机协同励磁设计方法，包括以下步骤：
步骤1，首先，通过磁场调制理论，推导出分裂齿n和转子凸极数均变化的情况下，所对应的永磁反电势Ecpm和直流电流磁动势Ecdc；通过对永磁反电势Ecpm和直流电流磁动势Ecdc的计算结果进行对比，得到每个分裂齿数下，同时具有最佳永磁反电势Ecpm和直流电流磁动势Ecdc的最佳转子凸极数；
步骤2，随后，在确定最佳分裂齿数n和转子凸极数的基础之上，推导出永磁体极弧θpm和分裂齿极弧θtp分别对永磁励磁有效磁动势∑Fpm和直流电流励磁有效磁动势∑Fdc的影响，从而获得在确定分裂齿n和转子凸极数下电机的两个极弧参数的最优选取区域。
进一步，所述步骤1具体过程为：
步骤1.1，根据定子部分的尺寸参数，计算出不同定子分裂齿n时的永磁磁动势和直流电流磁动势，永磁磁动势Fpm(n,θ)和直流电流磁动势Fdc(n,θ)表示如下：
Figure BDA0003549425760000031
式中，Ns为定子齿数，i、k为正整数，θ为转子位置角，
Figure BDA0003549425760000032
为永磁磁动势i阶幅值分量和
Figure BDA0003549425760000033
为直流电流磁动势k阶幅值分量，根据分裂齿数n的奇偶性，
Figure BDA0003549425760000034
和
Figure BDA0003549425760000035
有不同的表达式，当n为奇数时:
Figure BDA0003549425760000036
其中，永磁体极弧表示为θpm，分裂齿极弧表示为θtp，当n为偶数时：
Figure BDA0003549425760000037
式中，F1和F2分别为永磁磁动势和直流电流磁动势波形的幅值，z为正整数；
步骤1.2，根据转子部分的尺寸参数，计算出不同定子分裂齿的转子磁导，转子磁导
Figure BDA0003549425760000038
表示如下：
Figure BDA0003549425760000039
式中，θ0和ω分别为转子初始位置角和转子旋转角速度，j为非负整数，
Figure BDA00035494257600000310
为转子磁导的j次谐波成分，
Figure BDA00035494257600000311
为转子凸极极数；
步骤1.3，永磁励磁磁密
Figure BDA00035494257600000312
和直流电流励磁磁密
Figure BDA00035494257600000313
分别表示如下：
Figure BDA0003549425760000041
式中，
Figure BDA0003549425760000042
为永磁励磁磁密的m1阶次幅值，
Figure BDA0003549425760000043
为直流电流励磁磁密的m2阶次幅值，磁密谐波m1为永磁磁动势和转子凸极相互作用产生，而磁密谐波m2为直流电流励磁磁动势和转子凸极相互作用产生的，谐波阶次m1和m2表示如下：
Figure BDA0003549425760000044
步骤1.4，根据得到的永磁励磁磁密
Figure BDA0003549425760000045
和直流电流励磁磁密
Figure BDA0003549425760000046
求解每个线圈中的永磁励磁磁链Ψcpm(n,t)和直流电流励磁磁链Ψcdc(n,t),表示如下：
Figure BDA0003549425760000047
式中，nac为每个线圈的串联匝数，rg为气隙长度，lef为有效轴向长度；
步骤1.5，通过磁链值，求得每个线圈的反电势，其中，永磁励磁反电势和直流电流励磁反电势分别为ecpm和ecdc,分别表示如下：
Figure BDA0003549425760000051
式中，ψApm为永磁体磁链，ψAdc为直流电流磁链；
步骤1.6，根据上一步骤求得的反电势公式看出，只有当j＝1，产生反电势基波，因此工作波是由1st磁导谐波产生，永磁励磁反电势基波Ecpm和直流电流励磁反电势基波Ecdc分别为：
Figure BDA0003549425760000052
式中，ω，nac，rg和lef为定值，此外，对于固定的分裂齿数，
Figure BDA0003549425760000053
和
Figure BDA0003549425760000054
也为定值，通过对永磁反电势Ecpm和直流电流磁动势Ecdc的计算结果进行对比，得到每个分裂齿数下，同时具有最佳永磁反电势Ecpm和直流电流磁动势Ecdc的最佳转子凸极数。
进一步，步骤2的具体步骤如下：
步骤2.1：分别选取合适的θpm和θtp取值范围，需满足：
Figure BDA0003549425760000055
式中，θc为槽口极弧，为了保证绕制绕组装配工艺的可行性，θc满足一定角度；
步骤2.2：将具体的n，θpm和θtp代入磁动势计算公式，计算出相应的
Figure BDA0003549425760000056
和
Figure BDA0003549425760000057
步骤2.3：根据下式计算出具体n，θpm和θtp下的有效磁动势∑Fpm和∑Fdc：
Figure BDA0003549425760000058
式中，ci表示永磁励磁时，i阶磁动势所调制出的m1阶次磁密的正负贡献，当磁密为正贡献时，ci＝1，当磁密为负贡献时，ci＝-1；ck表示直流电流励磁时，k阶磁动势所调制出的m2阶次磁密的正负贡献，当磁密为正贡献时，ck＝1，当磁密为负贡献时，ck＝-1；
步骤2.4：将不同的n，θpm和θtp按照步骤三计算出相应的∑Fpm和∑Fdc，分别画出：相同n下，∑Fpm和∑Fdc随θpm和θtp变化的曲线，从曲线的变化中，选择θpm和θtp的最优选取区域及优化的结构参数。
进一步，步骤1还包括：直流电流部分即直流励磁，电机产生励磁磁场，励磁磁场通过分裂齿(5)进出气隙形成有效的励磁磁通，分裂齿数n的增加使分裂齿(5)个数随之增加，励磁磁场先增加后减小，而励磁磁场的磁通路径与分裂齿数无关；永磁体(6)产生永磁磁场则通过永磁体进出气隙形成有效的永磁磁通路径，分裂齿数的增加使永磁体(6)个数随之增加，永磁磁场进一步增强，而永磁磁通路径与分裂齿数无关。
进一步，步骤2中，在确定优选的分裂齿数n和转子凸极数的基础之上，建立永磁励磁有效磁动势∑Fpm和直流电流励磁有效磁动势∑Fdc的数学模型，直接从磁动势角度分析永磁体和直流电流对于电机性能的影响，通过计算永磁体极弧和分裂齿极弧变化下，永磁励磁有效磁动势∑Fpm和直流电流励磁有效磁动势∑Fdc的变化情况，得到两个极弧的最优选取区域，从而获得电机优化的结构参数，并且为电机优化初始尺寸范围的选取提供了简单方便的参数区域确定方法，实现双励磁磁场的利用效率的提升，从而有效增强单绕组双励磁磁场调制电机的转矩密度和调磁能力；此外，协同双磁场磁动势出发的设计方法也进一步提升电机设计工作的效率，降低了电机研发周期和成本。
根据不同应用场合需求，所述的电机结构可以是内转子结构，也可以是外转子结构。
本发明采用上述设计方案后，可以具备如下有益效果：
本发明单绕组双励磁磁场调制电机仅利用一套绕组，同时提供旋转磁场和励磁磁场，有限缓解了传统双励磁电机由于增加励磁绕组所带来的空间竞争和绕组绕制加工工艺的难度，增加了电机槽满率。在此基础上，任意多个分裂齿数及转子凸极数的设计为实现直流电流和永磁体的双励磁提高转矩密度和调磁能力提供了广阔的设计自由度。
本发明从各励磁源磁动势入手，分析分裂齿数、定子齿数和转子凸极极数对性能影响，得到了该类型双励磁电机不同分裂齿数下，转子凸极极数的最优选取方法；进一步地，根据该类型双励磁电机分裂齿极弧和永磁体极弧的设计特点，以磁动势为设计媒介，确定分裂齿极弧和永磁体极弧的最佳设计范围，为电机优化初始尺寸范围的选取提供了简单方便的参数区域确定方法，实现双励磁磁场的利用效率的提升，从而有效增强单绕组双励磁磁场调制电机的转矩密度和调磁能力。此外，协同双磁场磁动势出发的设计方法也进一步提升电机设计工作的效率，降低了电机研发周期和成本。
本发明所提出的单绕组双励磁磁场调制电机，从整体结构设计来看，所有的励磁源均安放在定子侧，消除了滑环和电枢，有效提高了电机运行的可靠性也有利于对励磁源温度的统一管理；转子侧仅为简单的凸极结构，提升了高速运行的可靠性。本发明定子采用分裂齿和永磁体交替排列的方式，将励磁磁路和永磁磁路平行设计，避免永磁体产生不可逆退磁的风险。
附图说明
图1为本发明实施例1的单绕组双励磁磁场调制电机结构示意图；
图2为本发明实施例2的单绕组双励磁磁场调制电机结构示意图；
图3为本发明实施例3的单绕组双励磁磁场调制电机结构示意图；
图4为本发明实例绕组和驱动电路的连接示意图；
图5为本发明实施例永磁励磁单独作用时，有效永磁磁路的示意图；
图6为本发明实施例直流电流励磁单独作用，永磁体设置为空气时，有效励磁磁路示意图；
图7(a)为本发明实施例的单绕组双励磁磁场调制电机永磁励磁单独作用的磁动势模型；
图7(b)为本发明实施例的单绕组双励磁磁场调制电机直流电流励磁单独作用的磁动势模型；
图8为本发明实施例的单绕组双励磁磁场调制电机永磁励磁和直流电流励磁分别单独作用，反电势基波幅值随转子凸极极数变化情况；
图9(a)为本发明实施例2的单绕组双励磁磁场调制电机，永磁励磁单独作用时，有效磁动势∑Fpm随永磁体极弧θpm和分裂齿极弧θtp变化图形；
图9(b)为本发明实施例2的单绕组双励磁磁场调制电机，永磁励磁单独作用时，反电势基波幅值随永磁体极弧θpm和分裂齿极弧θtp变化图形；
图10(a)为本发明实施例2的单绕组双励磁磁场调制电机，直流电流励磁单独作用时，有效磁动势∑Fdc随永磁体极弧θpm和分裂齿极弧θtp变化图形；
图10(b)为本发明实施例2的单绕组双励磁磁场调制电机，直流电流励磁单独作用时，反电势基波幅值随永磁体极弧θpm和分裂齿极弧θtp变化图形；
图11为本发明实施例的单绕组双励磁磁场调制电机齿槽转矩波形；
图12为本发明实施例的单绕组双励磁磁场调制电机绕组交流和直流铜耗分别37W和13W时，输出转矩的波形；
图13为本发明实施例的单绕组双励磁磁场调制电机各工作波对反电势基波幅值的贡献情况；
图14为本发明实施例的单绕组双励磁磁场调制电机，永磁励磁单独作用时，解析方法和有限元方法计算反电势基波幅值的对比图；
图15为本发明实施例的单绕组双励磁磁场调制电机，直流电流励磁单独作用时，解析方法和有限元方法计算反电势基波幅值的对比图；
图16为本发明实施例的单绕组双励磁磁场调制电机，绕组仅通入直流电流时，反电势基波幅值随直流电流变化的情况；
图中：1、转子，2、定子轭部，3、定子齿，4、绕组线圈，5、分裂齿，6、永磁体。
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。
本发明公开了一种单绕组双励磁磁场调制电机及其协同励磁设计方法，具体实施对象如图1-3所示，如图所示，实施例对象均包括定子和转子(1)，定子包括定子铁心、永磁体(6)和绕组，其中定子铁心由6个定子齿(3)和1个定子轭(2)组成；具体而言：实例1的每个定子齿(3)沿端部分裂成2个分裂齿(5)，永磁体(6)表嵌在定子齿端部，每个永磁体(6)被两个分裂齿(5)包夹，且同一个定子齿(3)上的所有永磁体(6)极性相同，相邻定子齿(3)上的永磁体(6)极性相反，电机中永磁体(6)的总个数Npm为6，分裂齿(5)的总个数为12，转子凸极极数为13；实例2的每个定子齿(3)沿端部分裂成3个分裂齿(5)，永磁体(6)表嵌在定子齿端部，每个永磁体(6)被两个分裂齿(5)包夹，且同一个定子齿(3)上的所有永磁体(6)极性相同，相邻定子齿(3)上的永磁体(6)极性相反，电机中永磁体(6)的总个数Npm为12，分裂齿(5)的总个数为18，转子凸极极数为19；实例3的每个定子齿(3)沿端部分裂成4个分裂齿(5)，永磁体(6)表嵌在定子齿端部，每个永磁体(6)被两个分裂齿(5)包夹，且同一个定子齿(3)上的所有永磁体(6)极性相同，相邻定子齿(3)上的永磁体(6)极性相反，电机中永磁体(6)的总个数Npm为18，分裂齿(5)的总个数为24，转子凸极极数为25。
实例1-3中的绕组均由6个线圈(4)组成，每个线圈(4)集中绕制于不同定子齿(3)，分别为：A1、C2、B1、A2、C1、B2；每个线圈(4)中同时通入直流电流和交流电流，直流电流产生励磁磁场，而交流电流产生旋转磁场；如图4所示，A1、B1、C1采用星型连接形成一组三相绕组，A2、B2、C2也采用星型连接形成另一组三相绕组，两组三相绕组分别由两个三相逆变电路进行控制，两组三相绕组连接成星形连接且中性点相连，通过控制中性点上电流调节直流电流以控制直流电流励磁磁场。每组三相绕组绕制的定子齿上的永磁体均具有相同极性，但不同三相绕组绕制的定子齿上的永磁体极性相反。直流电流产生的励磁磁场与永磁磁场共同作用，形成双励磁，两组绕组的直流电流大小相同而方向相反，电流的流向通过右手定则进行判定，使得两组绕组形成的磁场方向能同时与定子齿上的永磁体磁化方向同向和反向，从而实现直流电流形成的励磁磁场与永磁励磁磁场的相互增强或者相互减弱，增强时即为增磁，减弱时即为弱磁。
虽然不同的实例分裂齿数、永磁体个数和转子凸极数不同，但有效永磁磁路和励磁磁路的磁通路径相同，图5为永磁励磁单独作用时，永磁磁通的路径，该磁路通过永磁体进出气隙形成闭合回路；图6为直流电流励磁单独作用时，直流电流励磁磁通的路径，该磁路通过分裂齿进出气隙形成闭合回路；永磁磁路和励磁磁路相互平行。
本发明所述的一种单绕组双励磁磁场调制电机及其协同励磁设计方法，包括以下步骤：
步骤1，首先，通过磁场调制理论，推导出分裂齿n和转子凸极数均变化的情况下，所对应的永磁反电势Ecpm和直流电流磁动势Ecdc；通过对永磁反电势Ecpm和直流电流磁动势Ecdc的计算结果进行对比，得到每个分裂齿数下，同时具有最佳永磁反电势Ecpm和直流电流磁动势Ecdc的最佳转子凸极数；
步骤2，随后，在确定最佳分裂齿数n和转子凸极数的基础之上，推导出永磁体极弧θpm和分裂齿极弧θtp分别对永磁励磁有效磁动势∑Fpm和直流电流励磁有效磁动势∑Fdc的影响，从而获得在确定分裂齿n和转子凸极数下电机的两个极弧参数的最优选取区域。
针对具体实例1-3中转子凸极数目的选定，包括如下步骤：
步骤1，如图7所示，图7(a)为永磁励磁磁动势模型，图7(b)为直流电流励磁磁动势模型，其中，实例1，实例2和实例3分别对应于n为2，3，4，根据定子部分的设计参数，计算出不同定子分裂齿n时的永磁磁动势和直流电流磁动势；
步骤2，根据转子部分参数，分别计算出三个实例的转子磁导；
步骤3，磁动势和磁导相乘，计算出永磁励磁磁密和直流电流励磁磁密；
步骤4，根据得到的永磁励磁磁密和直流电流励磁磁密，求解每套绕组中的永磁励磁磁链和直流电流励磁磁链；
步骤5，通过磁链值，求得每套绕组的永磁励磁反电势和直流电流励磁反电势；
步骤6，根据上一步骤求得的反电势公式，得到永磁励磁反电势基波和直流电流励磁反电势基波，图8绘制出三个实例转子凸极数从1～30变化，所对应的永磁励磁反电势和直流电流励磁反电势，通过图中的数据对比可以得出3个实例中选取的转子凸极极数为最优，从图中的结果来看；
除了转子凸极极数的设计外，通过对永磁励磁有效磁动势∑Fpm和直流电流励磁有效磁动势∑Fdc的计算，得到永磁体极弧θpm和分裂齿极弧θtp的最优选取区域，具体步骤如下：
步骤1：分别选取合适的θpm和θtp取值范围，其中，θpm的取值范围为：7deg～12deg，θtp的取值范围为：5deg～9deg；
步骤2：将具体的n，θpm和θtp代入磁动势计算公式，计算出相应的Fpnim和Fdnck。
步骤3：根据下式计算出具体n，θpm和θtp下的有效磁动势∑Fpm和∑Fdc：
步骤4：将实例2按照步骤3计算出相应的∑Fpm和∑Fdc，图9为永磁励磁时，θpm和θtp变化对性能的影响，图9(a)为按照上述解析得到θpm和θtp变化对∑Fpm的影响，图9(b)为有限元得到θpm和θtp变化对反电势的影响；图10为直流电流励磁时，θpm和θtp变化对性能的影响，图10(a)为按照上述解析得到θpm和θtp变化对∑Fdc的影响，图10(b)为有限元得到θpm和θtp变化对反电势的影响；从图中可以通过有限元的结果和解析结果对比，验证上述步骤的正确性，此外也可以通过该方法得到θpm和θtp的最优选取区域。
图11为实例1-3的齿槽转矩，三个实例的齿槽转矩都很小，其中，实例2的齿槽转矩最大为0.3Nm；图12为3个实例的转矩波形，交流电流损耗为37W，直流电流损耗为13W时，实例1-3的转矩分别为13.1Nm、23.2Nm、23.4Nm，对应的转矩脉动分别为:10.4％、4.8％、5.8％，实例2和实例3的转矩基本相同，而实例2的转矩脉动更小，相比于实例1，实例2和3的转矩分别提升77％和79％。
图13为实例1-3的各工作波对反电势基波幅值的贡献，永磁励磁和直流电流励磁的工作波阶次相同，分别为：2次、4次、8次、10次、14次、16次、22次和28次，其中，8次和14次的幅值较小可以忽略；永磁励磁时，实例1的负贡献工作波阶次为：10次和22次；实例2的负贡献工作波阶次为：16次和28次；实例3的负贡献工作波阶次为：22次；直流电流励磁时，实例1的负贡献工作波阶次为：16次和22次；实例2的负贡献工作波阶次为：22次和28次；实例3的负贡献工作波阶次为：28次。
图14为实例1-3的永磁励磁单独作用时产生的反电势基波幅值，图中分裂齿数目2、3、4分别对应实例1、2、3，可以看出解析计算和有限元仿真结果基本吻合，反电势幅值随着分裂齿数目的增加而增大，图中实例3的反电势幅值最高；此外，图15为直流电流励磁单独作用时产生的反电势基波幅值，从图中可出，反电势幅值随着分裂齿数目的增加先增大后减小，实例2的反电势幅值最大。
图16为反电势基波幅值随直流电流励磁的变化情况，从图中可以看出，实例1-3中直流电流励磁都具有调节电机磁场的能力，其中，实例3的变化范围最大，而实例1的变化范围最小。
综上所述，本发明设计的单绕组双励磁磁场调制电机仅有一套绕组，同时提供电枢磁场和励磁磁场，有限缓解了双励磁电机由于增加励磁绕组所带来的空间竞争和绕组绕制加工工艺的难度；定子侧采用的分裂齿和永磁体交替排列方式，有效的将励磁磁路和永磁磁路平行设计，避免永磁体产生不可逆退磁的风险；从各励磁源磁动势和磁导模型入手，对分裂齿齿数变化的不同拓扑开展研究，推导分裂齿数、定子齿数和转子凸极极数对性能影响的表达式，得到了该类型双励磁电机不同分裂齿数下，转子凸极极数的最优选取方法；根据该类型双励磁电机分裂齿极弧和永磁体极弧的设计特点，以磁动势为设计媒介，确定分裂齿极弧和永磁体极弧的最佳设计范围，为电机优化初始尺寸范围的选取提供了简单方便的参数区域确定方法，实现双励磁磁场的利用效率的提升，从而提升了电机的输出转矩和调磁能力。此外，协同双磁场磁动势出发的设计方法也进一步提升电机设计工作的效率，降低了电机研发周期和成本。从电机的整体结构设计来看，所有励磁源均安放在定子侧，消除了滑环和电枢，有效提高了电机运行的可靠性也有利于对励磁源温度的统一管理；转子侧仅为简单的凸极结构，提升了高速运行的可靠性。
尽管已经示意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 (8)

1.一种单绕组双励磁磁场调制电机，其特征在于：包括定子、转子(1)，定子上包含有定子铁心、永磁体(6)和绕组，其中定子铁心由Ns个定子齿(3)和定子轭(2)组成；每个定子齿(3)面向气隙侧分裂成任意相等数目n个分裂齿(5)且n＞1，永磁体(6)表嵌在同一定子齿上分裂齿间的凹槽内，每个永磁体(6)被同一定子齿上两个分裂齿(5)包夹，每个定子齿上的永磁体(6)的数目为n-1，且同一个定子齿(3)上的永磁体(6)极性均相同；相邻两定子齿(3)上的永磁体(6)极性相反，电机中永磁体(6)的总个数Npm为(n-1)Ns，分裂齿(5)的总个数为nNs；所有定子齿上均绕制有单个无重叠集中绕组，每套绕组中同时通入直流电流和交流电流，其中直流电流与永磁体(6)共同励磁，形成双励磁；所有绕组中直流电流的幅值相等，同时直流电流的流通方向根据相邻绕组中直流电流产生方向相反的磁场确定，以产生有效的直流电流励磁磁场与永磁体(6)形成有效双励磁，转子部分由转子轭部和凸极组成，凸极极数为nNs+m，m为任意自然数。
2.根据权利要求1所述的一种单绕组双励磁磁场调制电机，其特征在于：电机绕组连接成两组三相绕组，两组三相绕组分别通过两个三相逆变电路控制；绕组中直流电流与永磁体(6)形成双励磁磁场，为电机提供励磁，而绕组中三相交流电流产生旋转磁场与励磁磁场相互作用，从而产生连续转矩；具有相同极性永磁体(6)的定子齿上绕制的绕组构成一组三相绕组，具有另一种相同极性永磁体(6)的定子齿上绕制的绕组构成第二组三相绕组；直流电流产生的励磁磁场与永磁体产生的永磁磁场共同作用，产生双励磁效果；两组三相绕组的直流电流大小相同，同时直流电流的流通方向根据相邻绕组中直流电流产生方向相反的磁场确定，两组三相绕组形成的励磁磁场与其各个定子齿上永磁体磁场方向均相同时为增磁，而与其各个定子齿上永磁体磁场方向均相反时为弱磁。
3.根据权利要求1所述的一种单绕组双励磁磁场调制电机协同励磁设计方法，其特征在于：当m为奇数时，两组三相绕组连接成星形连接且中性点相连，通过控制中性点上电流调节直流电流以控制直流电流励磁磁场；当m为偶数时，两组三相绕组连接成星形连接但中性点相连或者两组三相绕组连接成三角形连接，通过直接控制每套绕组中的直流电流控制直流电流励磁磁场。
4.根据权利要求1所述的一种单绕组双励磁磁场调制电机，其特征在于，所述的电机是内转子结构，或者是外转子结构。
5.根据权利要求1所述的一种单绕组双励磁磁场调制电机协同励磁设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，首先，通过磁场调制理论，推导出分裂齿n和转子凸极数均变化的情况下，所对应的永磁反电势Ecpm和直流电流磁动势Ecdc；通过对永磁反电势Ecpm和直流电流磁动势Ecdc的计算结果进行对比，得到每个分裂齿数下，同时具有最佳永磁反电势Ecpm和直流电流磁动势Ecdc的最佳转子凸极数；
步骤2，随后，在确定最佳分裂齿数n和转子凸极数的基础之上，推导出永磁体极弧θpm和分裂齿极弧θtp分别对永磁励磁有效磁动势∑Fpm和直流电流励磁有效磁动势∑Fdc的影响，从而获得在确定分裂齿n和转子凸极数下电机的两个极弧参数的最优选取区域。
6.根据权利要求5所述的一种单绕组双励磁磁场调制电机协同励磁设计方法，其特征在于，所述步骤1具体过程为：
步骤1.1，根据定子部分的尺寸参数，计算出不同定子分裂齿n时的永磁磁动势和直流电流磁动势，永磁磁动势Fpm(n,θ)和直流电流磁动势Fdc(n,θ)表示如下：
Figure FDA0003549425750000021
式中，Ns为定子齿数，i、k为正整数，θ为转子位置角，
Figure FDA0003549425750000022
为永磁磁动势i阶幅值分量和
Figure FDA0003549425750000023
为直流电流磁动势k阶幅值分量，根据分裂齿数n的奇偶性，
Figure FDA0003549425750000024
和
Figure FDA0003549425750000025
有不同的表达式，当n为奇数时:
Figure FDA0003549425750000026
其中，永磁体极弧表示为θpm，分裂齿极弧表示为θtp，当n为偶数时：
Figure FDA0003549425750000027
式中，F1和F2分别为永磁磁动势和直流电流磁动势波形的幅值，z为正整数；
步骤1.2，根据转子部分的尺寸参数，计算出不同定子分裂齿的转子磁导，转子磁导
Figure FDA0003549425750000028
表示如下：
Figure FDA0003549425750000029
式中，θ0和ω分别为转子初始位置角和转子旋转角速度，j为非负整数，
Figure FDA00035494257500000210
为转子磁导的j次谐波成分，
Figure FDA00035494257500000211
为转子凸极极数；
步骤1.3，永磁励磁磁密
Figure FDA00035494257500000212
和直流电流励磁磁密
Figure FDA00035494257500000213
分别表示如下：
Figure FDA0003549425750000031
式中，
Figure FDA0003549425750000032
为永磁励磁磁密的m1阶次幅值，
Figure FDA0003549425750000033
为直流电流励磁磁密的m2阶次幅值，磁密谐波m1为永磁磁动势和转子凸极相互作用产生，而磁密谐波m2为直流电流励磁磁动势和转子凸极相互作用产生的，谐波阶次m1和m2表示如下：
Figure FDA0003549425750000034
步骤1.4，根据得到的永磁励磁磁密
Figure FDA0003549425750000035
和直流电流励磁磁密
Figure FDA0003549425750000036
求解每个线圈中的永磁励磁磁链
Figure FDA0003549425750000037
和直流电流励磁磁链Ψcdc(n,t),表示如下：
Figure FDA0003549425750000038
式中，nac为每个线圈的串联匝数，rg为气隙长度，lef为有效轴向长度；
步骤1.5，通过磁链值，求得每个线圈的反电势，其中，永磁励磁反电势和直流电流励磁反电势分别为ecpm和ecdc,分别表示如下：
Figure FDA0003549425750000041
式中，ψApm为永磁体磁链，ψAdc为直流电流磁链；
步骤1.6，根据上一步骤求得的反电势公式看出，只有当j＝1，产生反电势基波，因此工作波是由1st磁导谐波产生，永磁励磁反电势基波Ecpm和直流电流励磁反电势基波Ecdc分别为：
Figure FDA0003549425750000042
式中，ω，nac，rg和lef为定值，此外，对于固定的分裂齿数，
Figure FDA0003549425750000043
和
Figure FDA0003549425750000044
也为定值，通过对永磁反电势Ecpm和直流电流磁动势Ecdc的计算结果进行对比，得到每个分裂齿数下，同时具有最佳永磁反电势Ecpm和直流电流磁动势Ecdc的最佳转子凸极数。
7.根据权利要求5所述的一种单绕组双励磁磁场调制电机协同励磁设计方法，其特征在于：步骤2的具体步骤如下：
步骤2.1：分别选取合适的θpm和θtp取值范围，需满足：
Figure FDA0003549425750000045
式中，θc为槽口极弧，为了保证绕制绕组装配工艺的可行性，θc满足一定角度；
步骤2.2：将具体的n，θpm和θtp代入磁动势计算公式，计算出相应的
Figure FDA0003549425750000046
和
Figure FDA0003549425750000047
步骤2.3：根据下式计算出具体n，θpm和θtp下的有效磁动势∑Fpm和∑Fdc：
Figure FDA0003549425750000048
式中，ci表示永磁励磁时，i阶磁动势所调制出的m1阶次磁密的正负贡献，当磁密为正贡献时，ci＝1，当磁密为负贡献时，ci＝-1；ck表示直流电流励磁时，k阶磁动势所调制出的m2阶次磁密的正负贡献，当磁密为正贡献时，ck＝1，当磁密为负贡献时，ck＝-1；
步骤2.4：将不同的n，θpm和θtp按照步骤三计算出相应的∑Fpm和∑Fdc，分别画出：相同n下，∑Fpm和∑Fdc随θpm和θtp变化的曲线，从曲线的变化中，选择θpm和θtp的最优选取区域及优化的结构参数。
8.根据权利要求5所述的一种单绕组双励磁磁场调制电机协同励磁设计方法，其特征在于：步骤1还包括：直流电流部分即直流励磁，电机产生励磁磁场，励磁磁场通过分裂齿(5)进出气隙形成有效的励磁磁通，分裂齿数n的增加使分裂齿(5)个数随之增加，励磁磁场先增加后减小，而励磁磁场的磁通路径与分裂齿数无关；永磁体(6)产生永磁磁场则通过永磁体进出气隙形成有效的永磁磁通路径，分裂齿数的增加使永磁体(6)个数随之增加，永磁磁场进一步增强，而永磁磁通路径与分裂齿数无关。
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