一种磁场调制式双凸极电机及其凸极齿分布设计方法技术

本发明专利技术公开一种磁场调制式双凸极电机及其凸极齿分布设计方法，包括定子和动子，定子包括定子铁心、两套绕组和两套永磁体。每个定子齿分裂成两个励磁齿，每个励磁齿分裂成两个凸极齿。两套绕组分别为电枢绕组和励磁绕组，电枢绕组绕制于定子齿，励磁绕组绕制在由不同定子齿分裂而成的相邻励磁齿。两套沿切向充磁的永磁体分别放置在励磁槽槽口和槽底，放置于同一个槽以及相邻槽相同位置的永磁体极性相反。本发明专利技术双凸极的结构设计，使得磁场能够在气隙中调制出丰富的工作谐波，提升电机推力；永磁体磁路仅在定子齿中形成回路，解决了电机易饱和的问题。本发明专利技术的凸极齿分布设计方法，通过改变凸极齿分布调整谐波贡献幅值，从而提升电机推力。

【技术实现步骤摘要】
一种磁场调制式双凸极电机及其凸极齿分布设计方法
本专利技术涉及到一种磁场调制式双凸极电机及其凸极齿分布设计方法，属于电机领域。采用可变磁通的混合励磁双凸极结构设计，使电机具有高推力、宽调速范围的性能优势；两套绕组和两套永磁体均安装于定子的结构特点，可应用于航天航空、交通运输、风力发电等领域。。
技术介绍
随着开关磁阻电机的不断发展，美国学者Lipo教授等将永磁体引入开关磁阻电机提出了永磁双凸极电机。由于永磁材料偏高的价格，为了节约电机制造成本，电励磁双凸极电机在此基础上发展而来。电励磁双凸极电机的绕组均放置于定子侧，动子侧为简单的凸极结构，因而具有较好的温度管理和高速运行能力。相较于永磁双凸极电机，电励磁双凸极电机的励磁磁场可以通过改变励磁电流大小控制，控制简单，可靠性高，在航天航空、交通运输、风力发电等领域都具有广阔的应用前景。中国专利技术专利申请号CN201910270245.9公开了一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机及其方法，通过双定子的结构增加一套内定子绕组，充分地利用电机空间；转子设有隔磁桥，主磁通经外定子、转子和内定子闭合，使电机在失磁故障时也可提供足够的磁阻转矩，实现电机的失错容错运行。虽然电机具有了容错能力，但是受制于电励磁电机本身，为了进一步提升电机的推力，将永磁体引入电励磁电机中，使电机同时具有永磁电机高得推力密度且具有宽速范围。中国专利技术专利号CN201010592364.5公开了两种轴向励磁双凸极电机，两种电机均包括至少两个按轴向排列的双凸极单体结构。第一种结构定转子铁心通过轴向导磁背铁形成轴向磁路；第二种定子铁心、定子轴向导磁背铁及永磁体均为圆弧状结构。本专利技术空间利用率高，无附加气隙，励磁效率高。虽然该专利技术有效节约了空间，永磁体的引入也提升了电机的推力密度及励磁效率，但是复杂的结构设计，也给生产制造带来了难度。中国专利技术专利申请号CN202010097798.1公开了一种有效永磁极数可调的双凸极永磁电机，通过在励磁绕组中施加脉冲电流改变低矫顽力永磁体的磁化方向，调节双凸极永磁电机永磁体极数，使电机调磁范围宽，广域高效。该电机虽然具有宽得调磁范围和高的推力密度，但是，在励磁绕组中施加脉冲电流，也加重了控制电路设计难度，此外，脉冲电流过大造成永磁体不可逆退磁的风险，也是需要面临的问题。从目前的研究来看，对于双凸极电机性能的研究，一般采用复杂的结构设计来提升电机的容错特性或推力能力，或对引入的永磁体形状和励磁绕组的电流进行研究，但却未对双凸极电机自身的凸极齿特点开展研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是，针对现有双凸极电机凸极齿分布研究的空缺，提出了一种磁场调制式双凸极电机及其凸极齿分布设计方法，根据磁场调制的原理，公开了一种凸极齿的分布设计方法：探明凸极齿分布机理，从而优化工作波的幅值，提高电机推力和调磁能力。考虑到永磁材料价格的偏高，电机设计中以励磁绕组为主，永磁材料为辅，尽量发挥励磁绕组的性能，设计了一种磁场调制式双凸极电机，此外，为了进一步提升电机的推力能力，通过永磁体的设计，增强电机抗饱和能力。具体地说，本专利技术的电机是采取以下的技术方案来实现的：一种磁场调制式双凸极电机，包括定子(1)和动子(2)，所述定子包括定子铁心、定子齿(3)、电枢绕组(6)、励磁绕组(5)、永磁体1(81)、永磁体2(82)；每个定子齿(3)分裂成两个励磁齿(4)，每个励磁齿(4)分裂成凸极齿1(71)和凸极齿2(72)这两个凸极齿；电枢绕组(6)绕制于定子齿(3)上，为了保证励磁绕组和电枢绕组中心线相差半个定子齿距，励磁绕组(5)绕制于由不同定子齿分裂所形成的两个相邻励磁齿(4)上；永磁体1(81)、永磁体2(82)均为切向充磁，且均放置于励磁槽内，永磁体1(81)放置于励磁槽口，永磁体2(82)内嵌于励磁槽底部；相邻两槽相同位置放置的永磁体极性相反且相同槽内的永磁体极性也相反；单独永磁激励时，同一个槽内的两个永磁体在定子齿内形成一个封闭的磁路；所述动子由多个转子凸极(9)排列构成，经过双边调制，气隙磁场中含有丰富的工作波。进一步，由同一个励磁齿(4)分裂形成的凸极齿1(71)和凸极齿2(72)齿宽相互独立，互不影响；优化定子凸极齿的分布，调整每次工作波的幅值来提升电机的推力。进一步，定子齿(3)齿数为Ns，凸极齿1(71)和凸极齿2(72)的宽度分别为β1和β2，电枢绕组(6)和励磁绕(5)组槽口宽度分别为β3和β5，单个励磁齿(4)分裂后形成的励磁凹槽宽度为β4，转子凸极(9)个数为Nr，每个齿极距为τp，各参数的关系可表示为：β1+β2+β3+β4+β5＝Nrτp/Ns。本专利技术的设计方法的技术方案包括，定子凸极齿的总数为4Ns，其中，凸极齿1(71)和凸极齿2(72)均为2Ns，凸极齿的分布与β1、β2、β3、β4和β5有关，凸极齿分布的设计方法的主要为：归纳凸极齿的分布规律；推导每种情况下空载气隙磁密的阶次和幅值；再通过磁密求解出反电势，通过对比反电势的大小，得到凸极齿分布的最优方式；具体如下：步骤1，以β1、β2、β3、β4和β5为切入点，对凸极齿分布进行设计，以单个定子齿为基准，凸极齿的分布可归纳为下列三种模型Model：ModelI.当β1、β2、β3、β4和β5五个变量互不相等时，每个定子齿具有一个最小单元；ModelII.当励磁绕组槽口和电枢绕组槽口宽度相等且凸极齿1(71)和凸极齿2(72)宽度相等，即β1≠β4≠β3,β1＝β2,β3＝β5，则每个定子齿具有两个最小单元；ModelIII.当励磁绕组槽口、电枢绕组槽口和励磁凹槽三者宽度相等且凸极齿1(71)和凸极齿2(72)宽度相等，即β1≠β3,β1＝β2＝β4,β3＝β5，则每个定子齿具有四个最小单元；步骤2，永磁体1(81)、永磁体2(82)仅在定子铁心内形成闭合的磁路，气隙磁密由励磁绕组产生，因而只需对励磁绕组进行分析，励磁绕组气隙磁动势为：其中，Ffw为励磁绕组磁动势，i为正奇数，θ为转子转过的机械角度，Nf和if分别为每相串联匝数和励磁电流；转子磁导为：其中，j为正整数，θ为转子转过的机械角度，θ0为转子初始位置角，ω为机械角速度，Λr0和Λrj分别为0和jNr阶磁导系数；由于上述公式只能定性分析而无法定量求解，为了定量分析转子磁导，根据电机尺寸参数，转子磁导Λr(θ,t)可表示为：其中，u0为相对空气磁导，δ为气隙长度，δr(θ,t)为转子侧气隙长度；其中，m为正整数，βr为转子槽口宽度，Rap为气隙半径，t为所对应的时间；步骤3，凸极齿的分布影响定子齿形，则定子磁导也随之变化，用变量Sp表示不同情况的最小单元数，则定子磁导Λs(θ)可表示为：其中，k为正整数，Λs0和Λsk分别为0和kSp阶磁导系数；与转子磁导同理，上述公式也只能定性分析而无法定量求解，为了定量分析定子磁导，根据电机尺寸参数，定子磁导可表示为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁场调制式双凸极电机，其特征在于：包括定子(1)和动子(2)，所述定子包括定子铁心、定子齿(3)、电枢绕组(6)、励磁绕组(5)、永磁体1(81)、永磁体2(82)；每个定子齿(3)分裂成两个励磁齿(4)，每个励磁齿(4)分裂成凸极齿1(71)和凸极齿2(72)这两个凸极齿；/n电枢绕组(6)绕制于定子齿(3)上，为了保证励磁绕组和电枢绕组中心线相差半个定子齿距，励磁绕组(5)绕制于由不同定子齿分裂所形成的两个相邻励磁齿(4)上；/n永磁体1(81)、永磁体2(82)均为切向充磁，且均放置于励磁槽内，永磁体1(81)放置于励磁槽口，永磁体2(82)内嵌于励磁槽底部；相邻两槽相同位置放置的永磁体极性相反且相同槽内的永磁体极性也相反；单独永磁激励时，同一个槽内的两个永磁体在定子齿内形成一个封闭的磁路；/n所述动子由多个转子凸极(9)排列构成，经过双边调制，气隙磁场中含有丰富的工作波。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁场调制式双凸极电机，其特征在于：包括定子(1)和动子(2)，所述定子包括定子铁心、定子齿(3)、电枢绕组(6)、励磁绕组(5)、永磁体1(81)、永磁体2(82)；每个定子齿(3)分裂成两个励磁齿(4)，每个励磁齿(4)分裂成凸极齿1(71)和凸极齿2(72)这两个凸极齿；
电枢绕组(6)绕制于定子齿(3)上，为了保证励磁绕组和电枢绕组中心线相差半个定子齿距，励磁绕组(5)绕制于由不同定子齿分裂所形成的两个相邻励磁齿(4)上；
永磁体1(81)、永磁体2(82)均为切向充磁，且均放置于励磁槽内，永磁体1(81)放置于励磁槽口，永磁体2(82)内嵌于励磁槽底部；相邻两槽相同位置放置的永磁体极性相反且相同槽内的永磁体极性也相反；单独永磁激励时，同一个槽内的两个永磁体在定子齿内形成一个封闭的磁路；
所述动子由多个转子凸极(9)排列构成，经过双边调制，气隙磁场中含有丰富的工作波。


2.根据权利要求1所述的磁场调制式双凸极电机，其特征在于，由同一个励磁齿(4)分裂形成的凸极齿1(71)和凸极齿2(72)齿宽相互独立，互不影响；优化定子凸极齿的分布，调整每次工作波的幅值来提升电机的推力。


3.根据权利要求1所述的磁场调制式双凸极电机，其特征在于：定子齿(3)齿数为Ns，凸极齿1(71)和凸极齿2(72)的宽度分别为β1和β2，电枢绕组(6)和励磁绕(5)组槽口宽度分别为β3和β5，单个励磁齿(4)分裂后形成的励磁凹槽宽度为β4，转子凸极(9)个数为Nr，每个齿极距为τp，各参数的关系可表示为：
β1+β2+β3+β4+β5＝Nrτp/Ns。


4.根据权利要求3所述的磁场调制式双凸极电机的凸极齿分布设计方法，其特征在于：定子凸极齿的总数为4Ns，其中，凸极齿1(71)和凸极齿2(72)均为2Ns，凸极齿的分布与β1、β2、β3、β4和β5有关，凸极齿分布的设计方法的主要为：归纳凸极齿的分布规律；推导每种情况下空载气隙磁密的阶次和幅值；再通过磁密求解出反电势，通过对比反电势的大小，得到凸极齿分布的最优方式；具体如下：
步骤1，以β1、β2、β3、β4和β5为切入点，对凸极齿分布进行设计，以单个定子齿为基准，凸极齿的分布可归纳为下列三种模型Model：
ModelI.当β1、β2、β3、β4和β5五个变量互不相等时，每个定子齿具有一个最小单元；
ModelII.当励磁绕组槽口和电枢绕组槽口宽度相等且凸极齿1(71)和凸极齿2(72)宽度相等，即β1≠β4≠β3,β1＝β2,β3＝β5，则每个定子齿具有两个最小单元；
ModelIII.当励磁绕组槽口、电枢绕组槽口和励磁凹槽三者宽度相等且凸极齿1(71)和凸极齿2(...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文祥，蒋婷婷，徐亮，吉敬华，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32