基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合分析及调制方法技术

本发明专利技术公开电机设计领域中一种基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合分析及调制方法，根据永磁励磁源为外表贴永磁体和中间永磁体、电枢磁源为外电枢绕组，获得电机的外气隙磁场的基准磁密分量，根据永磁励磁源为内表贴永磁体和中间永磁体、电枢磁源为内电枢绕组获得外气隙磁场的耦合磁密分量，由气隙磁密依次计算出耦合效应比、谐波特性因子以及谐波耦合效率，根据谐波耦合效率判断出正、负耦合谐波，由正、负耦合谐波分别建立相应的正、负耦合谐波群并计算出正、负耦合效率，由正、负耦合效率分析出电机磁场耦合是否符合要求；本发明专利技术实现对耦合谐波正向效应的有效利用，通过改善气隙磁密谐波耦合特性实现电机转矩能力的提升。磁密谐波耦合特性实现电机转矩能力的提升。磁密谐波耦合特性实现电机转矩能力的提升。

【技术实现步骤摘要】
基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合分析及调制方法


[0001]本专利技术属于电机设计领域，具体是电机的磁场耦合分析方法，特指对双气隙磁场调制 永磁电机构成的复合磁场之间的相互影响作分析，分析双气隙磁场调制永磁电机的复合磁 场的耦合效应，避免磁场耦合造成的负面影响。

技术介绍

[0002]近年来，磁场调制永磁电机作为一种新兴的永磁电机引起了广泛的关注，由于调制效 应而产生的多种磁场谐波，使该类电机具有高转矩密度的特点。为进一步提升磁场调制永 磁电机的转矩密度，将双气隙结构的概念引入磁场调制电机的设计中，形成了高功率密度、 高转矩密度的双气隙磁场调制永磁电机。例如，中国专利技术专利申请号为202010212515.3的 文献中公开了一种具有多工作模式的双定子磁场调制电机，利用其多工作谐波可提升输出 转矩和调磁能力，双绕组结构有助于满足复杂多样的驱动要求。中国专利技术专利申请号 201610812433.6的文献中提出的一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机，其双 气隙结构使电机结构更为紧凑，能够实现较大的转矩密度。由于双气隙磁场调制永磁电机 的较高的功率密度、突出的转矩能力和灵活的运行模式等性能优势，该类电机适用于电动 汽车、电动拖拉机等电动化车辆动力驱动系统中。
[0003]双气隙磁场调制永磁电机具有高度集成的设计和装配，其两层气隙磁场构成了复合磁 场，复合磁场之间存在一定程度的相互影响，这种问题通常被称为的磁场耦合效应。复合 磁场的耦合会影响电机协调控制和机械可靠性，而合理的电机拓扑可在一定程度上削弱磁 场耦合造成的负面影响。例如中国专利技术专利申请号202111284089.5的文献中公开的双转子 磁场调制电机，采用无刷结构，永磁体为横向分段错位式且转子相互独立，避免了由于电 机耦合带来的同步控制困难的问题。中国专利技术专利申请号201810753354.1的文献中公开了 一种双向磁路耦合式磁场调制直驱电机，其隔磁桥的结构减少了磁路耦合。
[0004]由此可知，磁场调制永磁电机的复合磁场之间的相互影响是产生磁场耦合的根源，对 于含有丰富气隙谐波的磁场调制永磁电机而言，复合磁场在带来高效能量转换特性的同时， 也带来了磁场耦合的问题，进而影响电机性能。众所周知，对于磁场调制永磁电机而言， 电机的磁源、调制器和绕组这三要素的结构变化会导致气隙谐波的变化，进一步影响电机 性能。而为了克服磁场耦合带来的问题，现有双气隙磁场调制永磁电机都是在电机拓扑结 构上作改进，都未涉及电机的磁源、调制器和绕组这三要素，因此都无法全面获知电机的 复合磁场的耦合情况。而气隙磁密是解决磁场耦合问题的关键切入点，气隙磁密谐波则是 分析气隙磁密的重要手段，因此，从气隙磁密谐波角度分析磁场耦合对电机性能的影响， 能避免磁场调制永磁电机的耦合问题，全面获得复合磁场的耦合情况。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是，针对现有双气隙的磁场调制永磁电机中复合气隙磁场产生的耦合问 题，提出一种基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合分析方法，全面准确地分析出
电机 的磁场耦合情况，并根据分析出的磁场耦合结果，提出了一种磁场调制永磁电机的磁场调 制方法，以提高电机的转矩性能。
[0006]本专利技术所述的基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合分析采用的技术方案是：
[0007]根据永磁励磁源为电机的外表贴永磁体和中间永磁体、电枢磁源为电机的外电枢绕组， 获得电机的外气隙磁场的基准磁密分量；
[0008]根据永磁励磁源为电机的内表贴永磁体和中间永磁体、电枢磁源为电机的内电枢绕组， 采用与获得所述的基准磁密分量相雷同的方法获得电机的外气隙磁场的耦合磁密分量；
[0009]由所述的基准磁密分量和所述的耦合磁密分量合成得到外气隙磁场的气隙磁密；
[0010]由所述的气隙磁密依次计算出耦合效应比、谐波特性因子以及谐波耦合效率；
[0011]根据所述的谐波耦合效率判断出正、负耦合谐波；
[0012]由所述的正、负耦合谐波分别建立相应的正、负耦合谐波群，并计算出所述的正、负 耦合谐波群的相应的正、负耦合效率；
[0013]由所述的正、负耦合效率分析出电机磁场耦合是否符合要求。
[0014]进一步地，所述的外气隙磁场的基准磁密分量由永磁磁密和电枢磁密合成得到。
[0015]进一步地，所述的气隙磁密依次计算出耦合效应比、谐波特性因子以及谐波耦合效率 为：先计算出耦合效应比再计算出出绕组槽距角τ次谐波的谐波槽距角判断当α
w
＝α
p
时，谐波特性因子k
w
＝1，当α
w
≠α
p
时， 谐波特性因子k
w
＝
‑
1；最后计算出谐波耦合效率η＝k
c
·
k
w
×
100％，B
cτ
是τ次耦合磁密分量 谐波幅值，θ
cτ
(t)是τ次耦合磁密分量谐波相位随时间变化的函数，θ
τ
(t)是τ次基准磁密分量 谐波的相位随时间变化的函数，B
τ
是τ次基准磁密分量谐波幅值，P
s
为电机的中间永磁体 的极对数，N
r
电机的外转子齿数，N
st
为定子齿数。
[0016]更进一步地，由所述的正、负耦合谐波分别建立相应的正、负耦合谐波群，正耦合谐 波群pg＝{p1,p2,...,p
σ
}，σ∈N
+
，负耦合谐波群ng＝{n1,n2,...,n
ε
}，ε∈N
+
，p1,p2…
,p
σ
分 别是第1,2,
…
,σ个正耦合谐波，n1,n2…
,n
ε
分别是第1,2,
…
,ε个负耦合谐波，N
+
表示正整数；
[0017]计算出正耦合效率和负耦合效率 η
p1
,η
p2
,
…
,η
pσ
分别表示正耦合谐波群pg中的σ个正 耦合谐波p1,p2…
,p
σ
的谐波耦合效率，η
n1
,η
n2
,
…
,η
nε
分别表示负耦合谐波群ng中ε个正耦合 谐波n1,n2…
,n
ε
的谐波耦合效率。
[0018]更进一步地，当正耦合效率η
pg
的值高于300％，且负耦合效率η
ng
的值低于150％时， 则电机的谐波群的耦合特性符合要求，反之，则不符合要求。
[0019]本专利技术所述的基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合调制方法采用的技术方案是： 当由所述的正、负耦合效率分析出电机磁场耦合不符合要求，将电机的定子表贴永磁体外 侧表面在径向截面上的轮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合分析方法，其特征是：根据永磁励磁源为电机的外表贴永磁体和中间永磁体、电枢磁源为电机的外电枢绕组，获得电机的外气隙磁场的基准磁密分量；根据永磁励磁源为电机的内表贴永磁体和中间永磁体、电枢磁源为电机的内电枢绕组，采用与获得所述的基准磁密分量相雷同的方法获得电机的外气隙磁场的耦合磁密分量；由所述的基准磁密分量和所述的耦合磁密分量合成得到外气隙磁场的气隙磁密；由所述的气隙磁密依次计算出耦合效应比、谐波特性因子以及谐波耦合效率；根据所述的谐波耦合效率判断出正、负耦合谐波；由所述的正、负耦合谐波分别建立相应的正、负耦合谐波群，并计算出所述的正、负耦合谐波群的相应的正、负耦合效率；由所述的正、负耦合效率分析出电机磁场耦合是否符合要求。2.根据权利要求1所述的基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合分析方法，其特征是：所述的外气隙磁场的基准磁密分量为B
n
(θ,t)，由永磁磁密B
PM
(θ,t)和电枢磁密B
AM
(θ,t)合成得到：t＝|iP
s
+kN
r
|，所述的外气隙磁场的耦合磁密分量t＝|iP
s
+kN
r
|，θ是电机的机械角度，t是时间，B
τ
是τ次基准磁密分量谐波幅值，θ
τ
(t)是τ次基准磁密分量谐波的相位随时间变化的函数，i为磁势谐波次数，取奇数1,3,5,
…
，k为磁导谐波次数，取0,
±
1,
±
2,...，P
s
为电机的中间永磁体的极对数，N
r
电机的外转子齿数，B
cτ
是τ次耦合磁密分量谐波幅值，θ
cτ
(t)是τ次耦合磁密分量谐波相位随时间变化的函数。3.根据权利要求2所述的基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合分析方法，其特征是：所述的永磁磁密B
PM
(θ,t)由外气隙磁场的永磁磁势F
pm
(θ)和磁导Λ(θ,t)相乘得到：F
i
为i次永磁磁势谐波幅值，Λ
k
为k次磁导谐波幅值，Ω
r
为电机的外转子的机械转速，θ
pm
为外气隙磁场的i次磁势谐波初相位。4.根据权利要求3所述的基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合分析方法，其特征是：所述的外气隙磁场的永磁磁势F
pm
(θ)由电机的中间永磁体的永磁磁动势F
o
(θ)和外表贴永磁体的永磁磁动势F
surface
(θ)合成得到：所述的磁导5.根据权利要求4所述的基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合分析方法，其特征
是：所述的中间永磁体的永磁磁动势i次磁势谐波幅值θ
o
为中间永磁体的i次磁势谐波初相位，F
M
是中间永磁体的磁势幅值；所述的外表贴永磁体的永磁磁动势θ
f
为外表贴永磁体i次磁势谐波初相位，i次外表贴永磁体磁势谐波幅值F
f
为当外表贴永磁体的外侧面在径向截面上展开为非正弦轮廓线时其磁势幅值，相反的当为正弦轮廓线时其磁势幅值为F
fs
，θ
s
为定子齿宽度。6.根据权利要求2所述的基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合分析方法，其特征是：所述的电枢磁密B
AM
(θ,t)由电机的外电枢绕组产生的合成磁动势F
ABC
(θ,t)与外气隙磁场的磁导Λ(θ,t)相乘得到，所述的合成磁动势所述的磁导ω是电角速度，θ是机械位置，F
m
和F
n
分别是m次和n次谐波电枢磁势谐波的幅值，Λ
k
为k次磁导谐波幅值，N
r
为电机的外转子齿数，Ω
r
为电机的外转子的机械转速，t是时间。7.根据权利要求2所述的基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合分析方法，其特征是：所述的外气隙磁场的气隙磁密8.根据权利要求7所述的基于谐波群的磁场调制永磁电机磁场耦合分析方法，其特征是：所述的气隙磁密依次计算出耦合效应比、谐波特性因子以及谐波耦合效率为：先计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：项子旋，卢子润，朱孝勇，张丽，樊德阳，全力，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：