一种基于球谐函数的永磁球形电机结构设计与通电方法技术

本发明专利技术涉及一种基于球谐函数的永磁球形电机结构设计与通电方法，该电机包括圆柱形定子线圈、圆柱形转子磁极两部分，对其关键参数即线圈底面中心球坐标的

Structural Design and Communication Method of Permanent Magnet Spherical Motor Based on Spherical Harmonic Function

The invention relates to a structure design and communication method of a permanent magnet spherical motor based on spherical harmonic function. The motor consists of two parts: a cylindrical stator coil and a cylindrical rotor pole. The key parameters of the motor are spherical coordinates at the bottom of the coil.

【技术实现步骤摘要】
一种基于球谐函数的永磁球形电机结构设计与通电方法
本专利技术属于永磁球形电机结构设计领域，尤其涉及到以球谐函数为参考的永磁球形电机。
技术介绍
目前国内外学者关于永磁式球形电机定、转子结构的设计以及分析已经做了很多工作，关于其定子线圈分相策略的研究也有了很大进展。针对其结构来说，可以分为两类，一类结构中转子运动受到角度限制，转子旋转和倾斜分开考虑，此种结构采用分层式定、转子结构，例如转子赤道层分布一层永磁体磁极，定子线圈在赤道两侧各有一层，相同层的线圈控制转子的旋转，不同层的线圈控制转子的倾斜。相关的，一些研究学者为了增加电机转矩以及提高控制的稳定性，增加了定子线圈层数和转子磁极层数,提出了外转子结构以及新型线圈结构和转子磁极结构；为了提高转子运动范围以及运行特性，提出了电机的各项机械尺寸优化策略；为了便于控制，将旋转线圈和倾斜线圈分别控制。另一类结构中转子运动具有更多的可能性，定子线圈和转子磁极在空间的分布具有高度的对称性以及球面上的均匀性，保证运动无奇点。例如正多面体结构，定子线圈和转子磁极均处于球面与多面体的重合规律排布，具有高度的对称性。在这两类结构永磁式球形电机的控制方法中，有参照了旋转电机的基本理论所提出的电流参考方程，采用基于动力学和运动学方程的求解算法以及各种新型算法，都具有较为复杂的理论依据，与传统旋转电机的基本理论联系不多。球谐函数作为三维空间中的一组正交基底，对于分析三维电机具有重要作用。进一步的，利用这种数学工具可以分析电机的电磁转矩以及控制方法。针对第一类结构中的双层式结构，研究人员验证了球谐波各阶次的匹配状况；针对第二类结构多面体结构永磁球形电机，研究人员利用球谐波合成导出线圈激励的方法。基于以上研究成果，可以认为球谐波对于永磁球形电机的结构设计和控制策略都具有参考意义。本专利技术在上述研究基础之上，以第二类永磁式球形电机结构为基础，提出新的定子线圈和转子磁极在空间球面上的分布原则。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种新型永磁球形电机结构设计与通电方法。方案如下：一种基于球谐函数的永磁球形电机结构设计与通电方法，该电机包括圆柱形定子线圈、圆柱形转子磁极两部分，对其关键参数即线圈底面中心球坐标的分量和磁极底面中心球坐标的分量进行设计，其中球坐标分量的取值范围分别是θR,θS∈[0,π]，并针对该种结构设计提供一种通电方法，包括下列的步骤：第一步：磁极底面中心球坐标的分量的确定(1)参考球谐函数阶次的选择：考虑到球面上磁场的分布均匀性且单层磁极个数的一半应为偶数，只有球谐函数和合适，并选择其实部图像作为参考，其中，球谐函数是关于空间球坐标的变量且θ∈[0,π],函数下标l表示函数的阶，取值范围为l∈[0,+∞)，函数上标m表示函数的次，取值范围为m∈[0,l]；(2)磁极位置的确定：当转子磁场对应的主谐波阶次为时，转子磁极分布为在Z轴正半球，沿着Z轴将球面均分为2l份，l个N极与l个S极交替排列，在Z轴负半球，沿着Z轴将球面均分为2l份，l个N极与l个S极交替排列，并且在Z轴正、负半轴也交替排列即上下两层异极性；第一层各磁极的球坐标分别为：第二层各磁极的球坐标分别为：其中k＝0,1,…2l-1，θ′R为方程的最小零点，为方程的最小零点；当转子磁场对应的主谐波阶次为时，转子磁极分布为沿着Z轴将球面均分为2l份，l个N极与l个S极交替排列在赤道层时，并且在Z轴正、负半轴相同极性即上下两层同极性，赤道层各磁极的球坐标分别为其中k＝0,1,…2l-1，为方程的最小零点；考虑均匀性，将赤道层的磁极分别向Z轴正方向和负方向移动复制，变为两层式；第二步：线圈底面中心球坐标的分量的确定首先是将转子磁极向Z轴的正负半轴移动，并以线圈替代，这样的线圈命名为“Z轴线圈”；其次是将分布在Z轴正负半轴的两层磁极底部中心球坐标进行旋转，绕X轴旋转90度得到位于Y轴正负半轴的线圈，命名为“Y轴线圈”；然后是将分布在Z轴正负半轴的两层磁极底部中心球坐标进行旋转，绕Y轴旋转90度得到位于X轴正负半轴的线圈，命名为“X轴线圈”；最后是将3组线圈合并，组成定子整体；以上线圈在球面上的分布是关于球心对称且关于直角坐标系中的坐标平面对称，只需分析其中一个象限的线圈坐标，对应l阶球谐函数的转子结构，会有1.5l个线圈均匀的分布在第一象限中球面上的凸面等边三角形的三个边上；根据上述第一象限各线圈的分布关系列出含有线圈位置未知数的方程，求解获得基本参数第三步：线圈通电方法的确定(1)定、转子磁场谐波系数分析：转子上关于球心对称的磁极仿真计算获得球谐波系数，已知各磁极位置然后通过球谐波旋转、叠加获得所有磁极对应的球谐波系数，然后确定转子运动轨迹利用球谐波旋转获得任意位置的球谐波系数，提取主阶次球谐波系数构成转子位置特征矩阵CR(t)，矩阵中元素是关于时间t的函数；定子上关于球心对称的线圈通单位电流仿真计算获得相应谐波系数，提取对应转子的主阶次球谐波系数构成定子线圈位置特征矩阵KS，矩阵元素均为常数；(2)电流方程：利用定、转子磁场成比例可以产生恒定转矩的特点以及定子激励出旋转磁场的理念，提出系数对应方程：KSI(t)＝ηCR(t)，其中KS为定子线圈位置特征矩阵，I(t)为线圈电流矩阵，η为转矩因子，此常数由期望输出转矩决定，CR(t)为转子位置特征矩阵；最终求解方程得到各组线圈电流I(t)＝ηKS-1CR(t)。本专利技术的技术效果如下：1.新的球形电机定、转子分布规律，参照了空间球谐波的形状，在结构设计方面具有创新性。2.新型结构对应的通电方法为矩阵相乘的形式，但是对于每个线圈的电流具有一定的分组关系，对于进一步的控制具有参考意义。附图说明图1：Y32型转子示意图。图2：Y44型转子示意图。图3：定子线圈位置推导。图4：线圈标号示意图。图5：转子磁场谐波幅值(模值)。图6：定子线圈电流。图7：定、转子谐波系数对比。具体实施方式本专利技术提出了具有外转子结构的新型永磁球形电机设计，下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。本专利技术具体实施步骤如下：1、球谐波阶次的选择首先是可以作为结构设计参考的球谐函数的阶数和次数。对于同阶球谐函数，正次项与负次项部分具有共轭对称性，因此本文仅使用正次项部分。当确定球谐函数的阶数和次数的时候，其实部(re)和虚部(im)具有相同的形状，但所处的位置不同。但是它们都可以作为结构设计的参考，而本文只选择实部。考虑到球面上磁场的分布均匀性，对于l阶球谐函数，只有(l-1)和l次项部分可以用作结构设计的参考，然后根据磁场的分布将球谐函数分为4类：(a)关于球心对称的两点的磁场方向均指向球心(或球外)，关于XOY平面对称的两点的磁场方向均指向球心(或球外)，例如(b)关于球心对称的两点，一点指向球心，另一点指向球外，关于XOY平面对称的两点的磁场方向指向球心，而另一点指向球外，例如(c)关于球心对称的两点，一点指向球心，另一点指向球外，关于XOY平面对称的两点的磁场方向指向球心(或球外)，例如(d)关于球心对称的两点的磁场方向指向球心(或球外)，关于XOY平面对称的两点的磁场方向指向球心，而另一点指向球外，例如然后，考虑到定子线圈位置的推导方法，定子线圈需均匀的分布在球面上，只有(a)和(b)两类球谐函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于球谐函数的永磁球形电机结构设计与通电方法，该电机包括圆柱形定子线圈、圆柱形转子磁极两部分，对其关键参数即线圈底面中心球坐标的

【技术特征摘要】
1.一种基于球谐函数的永磁球形电机结构设计与通电方法，该电机包括圆柱形定子线圈、圆柱形转子磁极两部分，对其关键参数即线圈底面中心球坐标的分量和磁极底面中心球坐标的分量进行设计，其中球坐标分量的取值范围分别是θR,θS∈[0,π]，并针对该种结构设计提供一种通电方法，包括下列的步骤：第一步：磁极底面中心球坐标的分量的确定(1)参考球谐函数阶次的选择：考虑到球面上磁场的分布均匀性且单层磁极个数的一半应为偶数，只有球谐函数和合适，并选择其实部图像作为参考，其中，球谐函数是关于空间球坐标的变量且θ∈[0,π],函数下标l表示函数的阶，取值范围为l∈[0,+∞)，函数上标m表示函数的次，取值范围为m∈[0,l]；(2)磁极位置的确定：当转子磁场对应的主谐波阶次为时，转子磁极分布为在Z轴正半球，沿着Z轴将球面均分为2l份，l个N极与l个S极交替排列，在Z轴负半球，沿着Z轴将球面均分为2l份，l个N极与l个S极交替排列，并且在Z轴正、负半轴也交替排列即上下两层异极性；第一层各磁极的球坐标分别为：第二层各磁极的球坐标分别为：其中k＝0,1,…2l-1，θ′R为方程的最小零点，为方程的最小零点；当转子磁场对应的主谐波阶次为时，转子磁极分布为沿着Z轴将球面均分为2l份，l个N极与l个S极交替排列在赤道层时，并且在Z轴正、负半轴相同极性即上下两层同极性，赤道层各磁极的球坐标分别为其中k＝0,1,…2l-1，为方程的最小零点；考虑均匀性，将赤道层的磁极分别向Z轴正方向和负方向移动复制，变为两层式；第二步：线圈底面中心球坐标的分量的确定首先是将转子磁极向Z轴的正负半轴移动，并以线圈...

【专利技术属性】
技术研发人员：李斌，张硕，李桂丹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12