基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法及电机

摘要

本发明公开了一种基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法及电机，属于永磁电机技术领域，方法包括：根据设计目标中各次绕组谐波vth的参数计算产生正反电势所需要的各次气隙工作磁场Bgv的初始相位Bgv；分别以产生Bgv、使Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大为设计目标，计算相应的各次磁导谐波的相位θmv和极弧系数αv；根据θmv和αv设计各次磁导谐波对应的调制齿的个数、位置以及沿圆周方向的长度，使得生成的磁导模型与S2中设计所得到的各次磁导谐波的相位θmv一致；对各次磁导谐波对应的调制齿的径向尺寸进行优化，使得各次气隙工作磁场Bgv的等效气隙磁密幅值Beqv之和最大。实现电机调制齿阵列的定向构造，电机能够产生多工作磁场，有效提升其转矩输出能力。

说明书

技术领域

本发明属于永磁电机技术领域，更具体地，涉及一种基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法及电机。

背景技术

自19世纪第一台电机问世以来，电机已成为支撑人类现代社会不可或缺的工业门类。从大到单机容量数千兆瓦的水轮发电机，到小至几个微瓦的微特电机，电机广泛应用在国民经济的各个方面。随着交替电气化浪潮高涨，工业机器人、芯片制造、数控机床等制造业持续发展，电机扮演着更加重要的作用，同时也对电机的转矩密度、响应速度、转矩脉动等性能品质提出更高的要求。其中，高转矩密度一直是电机发展的主要目标，其对于缩减驱动系统体积、成本、提升响应速度等都具有重要的意义。

传统电机普遍依靠单一工作磁场实现转矩的产生，转矩密度的提升受到材料性能的限制。游标永磁电机与传统电机结构相似，但其基于磁场调制原理，利用两个工作磁场进行机电能量转化产生转矩，因此获得更大的转矩密度。但是，目前在设计电机时，电机中永磁体转子、定子、电枢绕组等结构的设计一直拘泥于传统的拓扑结构框架中，性能的改善需要通过结构参数的反复优化来实现，设计过程无规律，存在很强的偶然性，很难实现电机的拓扑创新、转矩密度的提升。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法及电机，其目的在于结合绕组谐波特征和目标工作磁场的初始相位、极弧系数等参量，定量设计电机调制齿阵列的几何尺寸，实现各次磁导谐波相位与给定值一致，并通过进一步结构优化实现有效工作磁场最大化，从而解决现有技术中永磁电机定性设计无规律、很难实现电机拓扑创新、转矩密度提升的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法，所述永磁电机包括缠绕有绕组的定子、永磁体阵列、转子以及调制齿阵列，方法包括：S1，根据设计目标中各次绕组谐波v

更进一步地，所述S3包括：根据所述各次磁导谐波的相位θ

更进一步地，所述S4包括：对未重叠区域的调制齿的径向尺寸进行优化，使得所述各次气隙工作磁场B

更进一步地，所述S1中根据所述各次气隙工作磁场B

其中，sgn(v)为气隙工作磁场B

更进一步地，方法还包括：S5，对定子进行优化，使得所述定子的齿部由两组不同宽度的定子齿部交替组成，所述绕组缠绕在较宽的定子齿部外侧。

更进一步地，所述绕组系数k

k

其中，k

更进一步地，所述各次气隙工作磁场B

按照本发明的另一个方面，提供了一种永磁电机，包括同轴套设的转子、定子和转轴，所述定子中与转子相对的一侧设置有调制齿阵列，或者所述转子中与定子相对的一侧设置有调制齿阵列，所述调制齿阵列由如上所述的基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法形成。

更进一步地，所述永磁电机还包括永磁体阵列，所述永磁体阵列与所述调制齿阵列相对设置，二者之间形成有气隙，所述永磁体阵列径向充磁且相邻永磁体充磁方向相反。

更进一步地，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。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)结合绕组谐波特征分析产生电机正反电势所需要的气隙工作磁场，并反推气隙磁导函数的谐波成分，从而定量设计各次磁导谐波对应调制齿的尺寸，实现各次磁导谐波幅值、相位都和给定分析值一致，并通过进一步结构优化实现有效工作磁场最大化，从而充分发挥永磁体及绕组的机电能量转化能力，提升电机的转矩输出能力；

(2)对缠绕绕组的定子进行优化，主齿宽窄交替设置，较宽的主齿上缠有绕组线圈，较窄的主齿为绕组线圈提供更大的槽部空间，提高绕组线圈的槽满率；

(3)该方法构造的电机具有不均匀调制齿，该调制齿与永磁体阵列相互作用时，可以产生定向设计的目标工作磁场，该目标工作磁场既可以是单一工作磁场也可以是多谐波工作磁场，适用范围广，并且多谐波工作磁场可以使电机获得更强的转矩产生能力，进一步提升电机的转矩密度。

附图说明

图1为本发明实施例中基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法的流程图；

图2为调制齿阵列初始结构示意图；

图3为本发明实施例中定向构造的调制齿阵列优化结构示意图；

图4为本发明实施例中定向构造的永磁电机中定子整体结构示意图；

图5为本发明实施例中定向构造的永磁电机中转子整体结构示意图；

图6为本发明实施例中定向构造的永磁电机的整体结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为调制齿阵列，2为绕组，3为定子，4为转子，5为永磁体阵列，6为转轴。

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未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1为本发明实施例中基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法的流程图。参阅图1，结合图2-图6，对本实施例中基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法进行详细说明。方法包括操作S1-操作S4。

操作S1，根据设计目标中各次绕组谐波v

永磁电机包括缠绕有绕组2的定子3、永磁体阵列5、转子4、调制齿阵列1以及转轴6。具体地，例如转子、定子、转轴从外到内依次同轴套设，或者定子、转子转轴从外到内依次同轴套设。转子与定子之间形成有气隙，转子近气隙面嵌有永磁体阵列，定子近气隙面设置有调制齿阵列；或者，定子近气隙面嵌有永磁体阵列，转子近气隙面设置有调制齿阵列。定子齿部缠绕有线圈，特定线圈间进一步串联或并联构成相绕组。本实施例中，以图2-图6中示出的转子、定子、转轴从外到内依次同轴套设，转子近气隙面嵌有永磁体阵列，定子近气隙面设置有调制齿阵列为例，说明该基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法的具体操作过程。

在执行操作S1之前，以某相绕组中轴线作为初始位置，根据绕组的结构特征判定各次绕组谐波v

k

其中，k

本实施例中，将转子永磁体极对数设定为单谐波P

表1

进一步地，根据得到的绕组系数k

其中，D

为了使所有工作磁场都贡献正反电势，在空载反电势E

其中，sgn(v)为气隙工作磁场B

表2

操作S2，以产生各次气隙工作磁场B

游标永磁电机气隙工作磁场可以由磁势函数与磁导函数的乘积得到，本实施例中，气隙工作磁场B为：

进一步展开后，气隙工作磁场B为：

θ

其中，F

表3

操作S3，根据各次磁导谐波的相位θ

操作S3中，根据各次磁导谐波的相位θ

根据本发明实施例，操作S3包括子操作S31和子操作S32。

在子操作S31中，根据各次磁导谐波的相位θ

在子操作S32中，对各次磁导谐波对应的调制齿进行叠加，使得所有调制齿的重合区域最大，以确定各次磁导谐波对应的调制齿的个数和位置。

操作S4，对各次磁导谐波对应的调制齿的径向尺寸进行优化，使得各次气隙工作磁场B

对调制齿阵列的初始结构进一步进行细节尺寸优化，从而实现工作磁场幅值最大化。优化对象为调制齿阵列的径向长度，结合仿真软件，优化目标为使得各次气隙工作磁场B

根据本发明实施例，操作S4中，对子操作S32中未重叠区域的调制齿的径向尺寸进行优化，使得各次气隙工作磁场B

根据本发明实施例，该基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法还包括操作S5，对定子进行优化，使得定子的齿部由两组不同宽度的定子齿部交替组成，绕组缠绕在较宽的定子齿部外侧。较窄的主齿为绕组线圈提供更大的槽部空间，提高绕组线圈的槽满率。

优化后的调制齿阵列与定子集成构成最终的定子结构，定子齿部缠绕有绕组，形成的优化结构如图4所示，该绕组结构与设计目标中θ

本发明实施例还提供了一种永磁电机，包括同轴套设的转子4、定子3和转轴6，定子3中与转子4相对的一侧设置有调制齿阵列1，或者转子4中与定子3相对的一侧设置有调制齿阵列1，调制齿阵列1由如图1-图6所示基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法形成。

永磁电机还包括永磁体阵列5，永磁体阵列5与调制齿阵列1相对设置，二者之间形成有气隙，永磁体阵列5径向充磁且相邻永磁体充磁方向相反。永磁体阵列5为定子结构或转子结构，阵列中各磁钢等宽或不等宽。永磁电机还包括绕组2，绕组2缠绕在定子齿部。定子由两组不同宽度的定子齿部交替组成，绕组2缠绕在较宽的定子齿部外侧。

本实施例中的永磁电机与图1-图6所示基于工作磁场谐波定向的永磁电机拓扑构造方法形成的永磁电机相同，此处不再赘述。

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。