CN114915115A - 一种电机永磁体排列方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电机永磁体排列方法，提出正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，用于设计电机永磁体阵列，使得电机永磁体阵列在沿运动方向的空间磁场磁感应强度的变化趋近于正弦曲线，电机永磁体阵列中磁钢为一块或多块，减少了同等容量电机磁钢用量。电机永磁体排列方法包括：提出正弦磁场脉宽调制SFPWM理论设计电机永磁体阵列中磁钢的磁钢数量、磁钢尺寸及磁钢排列位置，磁钢数量为大于或等于1的奇数；根据磁钢排列位置设置对应的磁钢，形成电机永磁体阵列，最后形成电机磁极。

Description

一种电机永磁体排列方法
技术领域
本发明涉及永磁电机的应用领域，特别是涉及一种电机永磁体排列方法。
背景技术
我国将内燃机混合动力、混合动力列车、高速磁浮列车、船舶电力综合系统及电力推进系统、混合动力电飞机及纯电飞机等列为重点科研方向，为电机深度利用提供了重大需求。
传统的永磁旋转电机或者直线电机采用永磁体N极S极排列方式，一般由若干个规格相同的永磁体单体沿圆周或并列排布组成电机永磁体阵列，在阵列中所有永磁体单体磁极的极性为N极S极交替排列。这种结构排列的永磁体阵列空间磁场畸变率大，电机性能不佳，谐波含量高，电机附加损耗大，增加了电机控制难度。
申请号为202010552909.3的中国专利提出了一种新型的永磁体排列结构，与现有的永磁体排列比较，在使用相同数量的永磁体单体的情况下，能够使得双边永磁体之间的中间位置处的磁场磁感应强度更大，双边永磁体之间中间位置处沿永磁体单体排列方向的磁感应强度的变化趋势更加接近正弦曲线。
在永磁电机应用领域关注度持续高涨的Halbach永磁阵列，最早源于1943公开的专利《An improved box for containing powder for toilet and other purposes》中，解决了单侧磁场的高效利用问题，能够加强一侧的空间磁场磁感应强度并削弱对立侧的磁场分布。但是，不能最好地形成理想电机所需要的正弦磁场分布。
发明内容
本发明的目的是提供了一种电机永磁体排列方法，提出正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，用于设计电机永磁体阵列，使得电机永磁体阵列在沿运动方向的空间磁场磁感应强度的变化趋近于正弦曲线，电机永磁体阵列中磁钢为一块或多块，减少了同等容量电机磁钢用量。
本发明第一方面提供一种电机永磁体排列方法，包括：
提出正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，设计电机永磁体阵列中磁钢的磁钢数量、磁钢尺寸及磁钢排列位置，磁钢数量为大于或等于1的奇数；
根据磁钢排列位置设置对应的磁钢，形成电机永磁体阵列，最后形成电机磁极。
进一步的，提出正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，设计电机永磁体阵列中磁钢的磁钢数量、磁钢尺寸及磁钢排列位置，包括：
根据正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，确定电机永磁体阵列的正弦曲线磁场、正弦曲线需求、脉冲宽度需求及调制模式，正弦曲线磁场为半个周期；
根据正弦曲线需求设置电机永磁体阵列中磁钢的磁钢数量，磁钢数量为大于或等于1的奇数；
根据脉冲宽度需求设置对应磁钢的磁钢尺寸；
根据调制模式设置每个磁钢的磁钢排列位置。
进一步的，根据调制模式设置每个磁钢的磁钢排列位置，包括：
根据磁钢数量及磁钢尺寸，对正弦曲线磁场进行分区得到磁场区，每一个磁场区对应一个磁钢；
根据调制模式将每个磁钢的磁钢中心线与对应磁场区的磁场重心线重合，得到每个磁钢的磁钢排列位置。
进一步的，根据调制模式设置每个磁钢的磁钢排列位置，包括：
根据磁钢数量及磁钢尺寸，对正弦曲线磁场进行分区得到磁场区，每一个磁场区对应一个磁钢；
根据调制模式将每个磁钢的磁钢中心线与对应磁场区的磁场中心线重合，得到每个磁钢的磁钢排列位置。
进一步的，磁钢数量等于1时，正弦曲线磁场为磁场区，磁场区的磁场中心线和磁场重心线重合。
进一步的，磁钢数量为大于1的奇数时，磁钢包括中心磁钢、以中心磁钢的磁钢中心线为轴对称的多对对称磁钢，同一对对称磁钢的磁钢尺寸相同，所有对称磁钢的磁钢尺寸及中心磁钢的磁钢尺寸相同或不同。
由此可见，本发明的电机永磁体排列方法中，提出正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，设计电机永磁体阵列中磁钢的磁钢数量、磁钢尺寸及磁钢排列位置，磁钢数量为大于或等于1的奇数，根据磁钢排列位置设置对应的磁钢，形成电机永磁体阵列，最后形成电机磁极。提出正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，用于设计电机永磁体阵列，使得电机永磁体阵列在沿运动方向的空间磁场磁感应强度的变化趋近于正弦曲线，电机永磁体阵列中磁钢为一块或多块，减少了同等容量电机磁钢用量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的电机永磁体排列方法的一个实施例的流程示意图；
图2为本发明提供的1块磁钢组成电机永磁体阵列的示意图；
图3为本发明提供的3块磁钢组成电机永磁体阵列重心线重合的排列方式的示意图；
图4为本发明提供的3块磁钢组成电机永磁体阵列中心线重合的排列方式的示意图；
图5为本发明提供的5块磁钢组成电机永磁体阵列重心线重合的排列方式的示意图；
图6为本发明提供的5块磁钢组成电机永磁体阵列中心线重合的排列方式的示意图。
具体实施方式
本申请公开了一种电机永磁体排列方法，提出正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，用于设计电机永磁体阵列，使得电机永磁体阵列在沿运动方向的空间磁场磁感应强度的变化趋近于正弦曲线，电机永磁体阵列中磁钢为一块或多块，减少了同等容量电机磁钢用量。
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的一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参考图1，本发明实施例提供一种电机永磁体排列方法，包括：
101、提出正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，设计电机永磁体阵列中磁钢的磁钢数量、磁钢尺寸及磁钢排列位置，磁钢数量为大于或等于1的奇数；
102、根据磁钢排列位置设置对应的磁钢，形成电机永磁体阵列，最后形成电机磁极。
本发明实施例中，正弦磁场脉宽调制(Sinusoidal Field Pulse WidthModulation，SFPWM)借鉴了电机控制方法中的正弦空间矢量脉宽调制(Space VectorPulse Width Modulation，SVPWM)的思想，可以理解为SFPWM是以正弦磁场为目标，通过设计电机永磁体的数量、尺寸和排列位置来实现空间磁场幅值沿运动路径呈正弦分布。其中，脉冲宽度对应磁钢尺寸，调制指的是排列，SFPWM实质含义是指正弦磁场磁钢排列。SVPWM是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。因此，提出正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，用于设计电机永磁体阵列，使得电机永磁体阵列在沿运动方向的空间磁场磁感应强度的变化趋近于正弦曲线，电机永磁体阵列中磁钢可以为大于或等于1的奇数，减少了同等容量电机磁钢用量。
可选的，本发明的一些实施例中，提出正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，设计电机永磁体阵列中磁钢的磁钢数量、磁钢尺寸及磁钢排列位置，包括：
根据正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，确定电机永磁体阵列的正弦曲线磁场、正弦曲线需求、脉冲宽度需求及调制模式，正弦曲线磁场为半个周期；
根据正弦曲线需求设置电机永磁体阵列中磁钢的磁钢数量，磁钢数量为大于或等于1的奇数；
根据脉冲宽度需求设置对应磁钢的磁钢尺寸；
根据调制模式设置每个磁钢的磁钢排列位置。
可选的，本发明的一些实施例中，根据调制模式设置每个磁钢的磁钢排列位置，包括：
根据磁钢数量及磁钢尺寸，对正弦曲线磁场进行分区得到磁场区，每一个磁场区对应一个磁钢；
根据调制模式将每个磁钢的磁钢中心线与对应磁场区的磁场重心线重合，得到每个磁钢的磁钢排列位置。
可选的，本发明的一些实施例中，根据调制模式设置每个磁钢的磁钢排列位置，包括：
根据磁钢数量及磁钢尺寸，对正弦曲线磁场进行分区得到磁场区，每一个磁场区对应一个磁钢；
根据调制模式将每个磁钢的磁钢中心线与对应磁场区的磁场中心线重合，得到每个磁钢的磁钢排列位置。
可选的，本发明的一些实施例中，磁钢数量等于1时，正弦曲线磁场为磁场区，磁场区的磁场中心线和磁场重心线重合。
可选的，本发明的一些实施例中，磁钢数量为大于1的奇数时，磁钢包括中心磁钢、以中心磁钢的磁钢中心线为轴对称的多对对称磁钢，同一对对称磁钢的磁钢尺寸相同，所有对称磁钢的磁钢尺寸及中心磁钢的磁钢尺寸相同或不同。
下面结合实例对以上实施例进行具体说明，如图2所示为1块磁钢组成电机永磁体阵列的示意图，即传统永磁体单体磁极的极性为N极和S极交替排列，半个周期正弦曲线(即S区)的面积等于1#磁极矩形面积。其中，左侧矩形表示N极在运动路径上的磁场磁感应强度分布，右侧矩形表示S极在空间运动路径上的磁场磁感应强度分布，正弦曲线表示N极和S极磁体产生的理想空间基波分布磁场。
由于1#永磁体阵列和2#永磁体阵列是关于中间竖直虚线的轴对称图形，后面均以1#永磁体阵列的排列和设置方式为例进行介绍。
图2中的竖直虚线1表示1#永磁体阵列和半个周期的正弦曲线的重心线和中心线。
如图3所示，由3块磁钢组成电机永磁体阵列，重心线重合的排列方式。图3中2为S1区的重心线和中心线，3为S2区的重心线，左侧3个矩形表示3对NS极磁钢，以左侧中心线2为轴对称的形式布置，每个矩形单体的横向对称线为单体N极的中心线；将正弦曲线的半个周期分成三部分，即1个S1区和2个S2区，2个S2区的宽度相等，S1区和S2区的宽度可以相等也可以不相等，每一部分通过计算求得将其面积等分的竖直线，此线即为重心线。磁钢安装在重心线重合位置。
如图4所示，由3块磁钢组成电机永磁体阵列，中心线重合的排列方式。图4中4为S1区的重心线和中心线，5为S2区的中心线，左侧3个矩形表示3对NS极磁钢，以左侧中心线4为轴对称的形式布置，每个矩形单体的横向对称线为单体N极的中心线；将正弦曲线的半个周期分成三部分，即1个S1区和2个S2区，2个S2区的宽度相等，S1区和S2区的宽度可以相等也可以不相等，每一部分对应宽度的中点引出的竖直垂线即为中心线。磁钢安装在中心线重合位置。
如图5所示，由5块磁钢组成电机永磁体阵列，重心线重合的排列方式。图5中6为S1区的重心线和中心线，7为S2区的重心线，8为S3区的重心线，左侧5个矩形表示5对NS极磁钢，以左侧中心线6为轴对称的形式布置，每个矩形单体的横向对称线为单体N极的中心线；将正弦曲线的半个周期分成五部分，即1个S1区、2个S2区和2个S3区，2个S2区的宽度相等，2个S3区的宽度相等，S1、S2和S3区的宽度可以相等也可以不相等，每一部分通过计算求得将其面积等分的竖直线，此线即为重心线。磁钢安装在重心线重合位置。
如图6所示，由5块磁钢组成电机永磁体阵列，中心线重合的排列方式。图6中9为S1区的重心线和中心线，10为S2区的中心线，11为S3区的中心线，左侧5个矩形表示5对NS极磁钢，以左侧中心线9为轴对称的形式布置，每个矩形单体的横向对称线为单体N极的中心线；将正弦曲线的半个周期分成五部分，即1个S1区、2个S2区和2个S3区，2个S2区的宽度相等，2个S3区的宽度相等，S1、S2和S3区的宽度可以相等也可以不相等，每一部分对应宽度的中点引出的竖直垂线即为中心线。磁钢安装在中心线重合位置。
通过以上实施例，电机永磁体阵列在运动路径上的磁场磁感应强度分布，其正弦性明显优于传统的N极和S极的交替排列。
本发明提出的永磁体排列方法的好处在于，既可以实现电机永磁体阵列空间磁场磁感应强度分布的趋正弦性，又提高了永磁体的利用效率，理论上可形成电机永磁体阵列的磁场近似正弦分布。
在工程应用中，考虑到费效比问题，电机永磁体阵列超过7块磁钢实际含义不大。但是，本发明的电机永磁体排列方法仍保护包括7块磁钢的电机永磁体阵列。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种电机永磁体排列方法，其特征在于，包括：
提出正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，设计电机永磁体阵列中磁钢的磁钢数量、磁钢尺寸及磁钢排列位置，所述磁钢数量为大于或等于1的奇数；
根据所述磁钢排列位置设置对应的磁钢，形成所述电机永磁体阵列，最后形成电机磁极。
2.根据权利要求1所述的电机永磁体排列方法，其特征在于，所述提出正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，设计电机永磁体阵列中磁钢的磁钢数量、磁钢尺寸及磁钢排列位置，包括：
根据正弦磁场脉宽调制SFPWM理论，确定电机永磁体阵列的正弦曲线磁场、正弦曲线需求、脉冲宽度需求及调制模式，所述正弦曲线磁场为半个周期；
根据所述正弦曲线需求设置所述电机永磁体阵列中磁钢的磁钢数量，所述磁钢数量为大于或等于1的奇数；
根据所述脉冲宽度需求设置对应磁钢的磁钢尺寸；
根据所述调制模式设置每个磁钢的磁钢排列位置。
3.根据权利要求2所述的电机永磁体排列方法，其特征在于，所述根据所述调制模式设置每个磁钢的磁钢排列位置，包括：
根据所述磁钢数量及所述磁钢尺寸，对所述正弦曲线磁场进行分区得到磁场区，每一个磁场区对应一个磁钢；
根据调制模式将每个磁钢的磁钢中心线与对应磁场区的磁场重心线重合，得到每个磁钢的磁钢排列位置。
4.根据权利要求2所述的电机永磁体排列方法，其特征在于，所述根据所述调制模式设置每个磁钢的磁钢排列位置，包括：
根据所述磁钢数量及所述磁钢尺寸，对所述正弦曲线磁场进行分区得到磁场区，每一个磁场区对应一个磁钢；
根据调制模式将每个磁钢的磁钢中心线与对应磁场区的磁场中心线重合，得到每个磁钢的磁钢排列位置。
5.根据权利要求3或4所述的电机永磁体排列方法，其特征在于，
所述磁钢数量等于1时，所述正弦曲线磁场为磁场区，所述磁场区的磁场中心线和磁场重心线重合。
6.根据权利要求3或4所述的电机永磁体排列方法，其特征在于，
所述磁钢数量为大于1的奇数时，所述磁钢包括中心磁钢、以所述中心磁钢的磁钢中心线为轴对称的多对对称磁钢，同一对对称磁钢的磁钢尺寸相同，所有对称磁钢的磁钢尺寸及所述中心磁钢的磁钢尺寸相同或不同。
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