【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电机，具体涉及双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型。
技术介绍
1、随着新兴制造业、新能源汽车和航空电气化的快速发展，对高速、高集成度电机系统的需求日益增加，其性能优劣甚至可能成为行业发展的“卡脖子”问题。定子永磁型无刷电机由于具有高转矩(功率)密度、宽调速能力、高运行可靠性等特点，受到国内外学者的广泛关注。其中，交替极结构的磁通反向永磁电机作为定子永磁型无刷电机的一类典型拓扑得到了重视。交替极磁通反向永磁电机的永磁体与电枢绕组均置于定子侧，具有良好的散热性能，并且其永磁体结构与表贴式永磁电机相似，贴装于定子齿表面，减少了磁钢用量，降低磁钢间漏磁等问题。但是当前，绝大部分高速电机仍采用机械轴承支撑，其在高速工况下运行时的摩擦严重，导致电机温升增加、损耗增大等一系列问题。为了解决上述问题，气浮轴承、磁悬浮轴承等技术被相继提出，但受气体密封工艺和工作环境的约束，后者会使电机的轴向长度增加，导致系统的集成度和电机的最高转速上限降低。因此，无轴承电机作为一种电机与磁悬浮轴承融合的想法被提出，其具有无摩擦、纯净度高等优点，尤其适用于航空航天和医药化工等高精尖领域。作为一种高集成度的无轴承电机，双馈交替极无轴承磁通反向电机推动了该领域本体结构和控制方法的进一步简化，同时顺应了电机系统高速化、高功率密度的发展趋势，在航空高速和超高速起动发电机等领域、风力发电机和飞轮储能系统中具有广阔的应用前景。
2、由于磁通反向永磁电机是一个非线性、强耦合的复杂系统，利用常规的磁通反向永磁电机铁心结构在实践中较难实
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术公开了双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，针对frpm电机转矩密度较低、转矩脉动较大的不足，基于磁场调制原理，改变frpm电机的绕组结构并采用双馈模块化设计，提出一种具有良好转矩特性的双馈交替极无轴承磁通反向电机。首先介绍双馈交替极无轴承磁通反向电机的拓扑结构；其次，阐明双馈交替极无轴承磁通反向电机的工作原理，揭示轴向模块配合下永磁磁链谐波抵消与齿槽转矩抑制机理。然后，从输出转矩、转矩脉动、过载能力和调速范围等方面综合比较双馈交替极无轴承磁通反向电机与磁通反向永磁电机的电磁特性，验证了所提出的双馈交替极无轴承磁通反向电机具有高转矩密度、低转矩脉动、容错的优势。
2、具体方案如下：
3、双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：由双馈交替极无轴承磁通反向电机工作原理得知悬浮与电枢绕组间几乎没有互感，得出电机电磁转矩和径向悬浮力之间的控制是互相解耦的，能够通过控制方法独立控制，并为了简化分析双馈交替极无轴承磁通反向电机磁路计算过程，作出如下假设：各种材料的磁导率为常数，不受温度、压力外部因素的影响；分析中不考虑端部效应和磁饱和现象对磁场的影响；忽略定、转子轭的磁阻，双馈交替极无轴承磁通反向电机磁路结构较为复杂，磁动势数学模型的建立包括定子转矩绕组磁动势、转子转矩绕组磁动势、转子悬浮力绕组磁动势以及永磁体的气隙磁动势四个部分。由于定子转矩、转子转矩和悬浮力三种旋转磁场的旋转速度不一致，导致转矩绕组三次谐波电流产生的磁动势谐波及转子磁动势高次谐波对径向悬浮力具有扰动。总体来看谐波含量较小，如果将三次谐波因素考虑到数学模型计算中，会导致计算过程庞大，所述径向悬浮力子系统数学模型的建立仅考虑电枢基波电流及转子基波磁动势，包括悬浮力绕组的磁动势、转矩绕组产生的磁动势、永磁体产生的气隙磁动势、考虑转子凸极性的气隙磁导数学模型、径向悬浮力数学模型。
4、作为本专利技术的进一步改进，双馈交替极无轴承磁通反向电机拓扑是由12/14极交替极磁通反向电机演变而来，双馈交替极无轴承磁通反向电机在传统交替极磁通反向电机的基础上，在其定子齿上附加一套额外的悬浮力绕组；转子部分增加了一套转矩绕组，提高转矩密度；并且双馈交替极无轴承磁通反向电机的永磁体用量相比于传统磁通反向电机减半，且所有永磁体极性相同，永磁体旁的铁磁极靴自动充当另一极的作用；转矩绕组与悬浮绕组分别置于定子上，减少了磁场耦合；定子与转子间的气隙为主气隙，匝链绝大部分永磁磁链；定转子采用定子永磁型电机常用的双凸极结构，转子无永磁体，加强了转子的机械一体性。
5、作为本专利技术的进一步改进，所述悬浮力绕组采用集中式绕组的连接方式，将其分为:i1,i2,i3,i4,i5,i6，共六相，用于产生径向悬浮力；每相悬浮力绕组由相对位置的两个绕组线圈串联而成，转矩绕组的每相都有四个绕组线圈串联而成，将其分为：a，b、c，共三相，用于产生转矩；其中，a、b、c三相的连接方式是类似的，每相差120°电角度。
6、作为本专利技术的进一步改进，所述双馈交替极无轴承磁通反向电机工作原理为：双馈交替极无轴承磁通反向电机包含转矩磁场、悬浮磁场和永磁磁场，其中定子内部分别嵌有2套绕组，用来产生转矩磁场和悬浮力磁场，定子磁极采用交替极产生永磁磁场，为了增大转距密度，在转子内嵌有一套绕组产生转矩磁场；通过定子和转子的两套转矩绕组和定子中的一套悬浮绕组不同极对数磁场的叠加，使气隙磁场不能对称平衡，从而产生可以使转子悬浮的径向悬浮力，这种径向悬浮力能实现转子在径向稳定悬浮。
7、作为本专利技术的进一步改进，所述悬浮力绕组的磁动势为：悬浮力绕组采用集中式绕组的连接方式，将其分为:i1,i2,i3,i4,i5,i6，共六相，用于产生径向悬浮力，由于这样的绕组设置使得悬浮力绕组线圈里产生的空载反电动势相互抵消，无法产生转矩，所以，悬浮力绕组的磁动势由各相悬浮力绕组的磁动势相加得到：
8、
9、作为本专利技术的进一步改进，所述转矩绕组产生的磁动势为：为了分析定子转矩和转子转矩谐波顺序与磁动势谐波之间的关系，进行了以下简单分析；假设对称转矩绕组通过对称电流，并且谐波都以恒定的速度旋转，两者磁场对应的磁动势基波分量分别为，
10、
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12、忽略高次谐波后，双馈交替极无轴承磁通反向电机气隙内部转矩磁场分为两种：一种为定子转矩基波磁场，由定子转矩绕组基波电流产生，为转子极轴与定子a相绕组轴沿气隙的夹角；第二种为转子转矩基波磁场，由转子转矩绕组基波电流产生，为转子磁动势谐波滞后于定子谐波的电角度；式中，f1m、f2m分别为定子转矩和转子转矩绕组电流产生的气隙磁动势基波幅值。
13、作为本专利技术的进一步改进，所述永磁体产生的气隙磁动势为：电机由永磁体产生的气隙磁动势视为随转子位置角θ变化的方波。永磁体气隙磁动势fmag(θ)的傅里叶展开式给定为[8,10]：
14、
15、式中，pm为永磁体的极对数,θ1为单个永磁体弧度的一半，θ本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：由双馈交替极无轴承磁通反向电机工作原理得知悬浮与电枢绕组间几乎没有互感，得出电机电磁转矩和径向悬浮力之间的控制是互相解耦的，能够通过控制方法独立控制，并为了简化分析双馈交替极无轴承磁通反向电机磁路计算过程，作出如下假设：各种材料的磁导率为常数，不受温度、压力外部因素的影响；分析中不考虑端部效应和磁饱和现象对磁场的影响；忽略定、转子轭的磁阻，所述径向悬浮力子系统数学模型的建立仅考虑电枢基波电流及转子基波磁动势，包括悬浮力绕组的磁动势、转矩绕组产生的磁动势、永磁体产生的气隙磁动势、考虑转子凸极性的气隙磁导数学模型、径向悬浮力数学模型。
2.根据权利要求1所述的双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：双馈交替极无轴承磁通反向电机拓扑是由12/14极交替极磁通反向电机演变而来，双馈交替极无轴承磁通反向电机在传统交替极磁通反向电机的基础上，在其定子齿上附加一套额外的悬浮力绕组；转子部分增加了一套转矩绕组，提高转矩密度；并且双馈交替极无轴承磁通反向电机的永磁体用量相比于传统磁通反向
3.根据权利要求2所述的双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：所述悬浮力绕组采用集中式绕组的连接方式，将其分为:I1,I2,I3,I4,I5,I6，共六相，用于产生径向悬浮力；每相悬浮力绕组由相对位置的两个绕组线圈串联而成，转矩绕组的每相都有四个绕组线圈串联而成，将其分为：A，B、C，共三相，用于产生转矩；其中，A、B、C三相的连接方式是类似的，每相差120°电角度。
4.根据权利要求3所述的双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：所述双馈交替极无轴承磁通反向电机工作原理为：双馈交替极无轴承磁通反向电机包含转矩磁场、悬浮磁场和永磁磁场，其中定子内部分别嵌有2套绕组，用来产生转矩磁场和悬浮力磁场，定子磁极采用交替极产生永磁磁场，为了增大转距密度，在转子内嵌有一套绕组产生转矩磁场；通过定子和转子的两套转矩绕组和定子中的一套悬浮绕组不同极对数磁场的叠加，使气隙磁场不能对称平衡，从而产生可以使转子悬浮的径向悬浮力，这种径向悬浮力能实现转子在径向稳定悬浮。
5.根据权利要求3所述的双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：所述悬浮力绕组的磁动势为：悬浮力绕组采用集中式绕组的连接方式，将其分为:I1,I2,I3,I4,I5,I6，共六相，用于产生径向悬浮力，由于这样的绕组设置使得悬浮力绕组线圈里产生的空载反电动势相互抵消，无法产生转矩，所以，悬浮力绕组的磁动势由各相悬浮力绕组的磁动势相加得到：
6.根据权利要求5所述的双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：所述转矩绕组产生的磁动势为：为了分析定子转矩和转子转矩谐波顺序与磁动势谐波之间的关系，进行了以下简单分析；假设对称转矩绕组通过对称电流，并且谐波都以恒定的速度旋转，两者磁场对应的磁动势基波分量分别为，
7.根据权利要求6所述的双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：所述永磁体产生的气隙磁动势为：电机由永磁体产生的气隙磁动势视为随转子位置角θ变化的方波。永磁体气隙磁动势Fmag(θ)的傅里叶展开式给定为[8,10]：
8.根据权利要求7所述的双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：所述考虑转子凸极性的气隙磁导数学模型为：双馈交替极无轴承磁通反向电机在传统双馈交替极磁通反向电机的原有转矩绕组的基础之上增加了一套悬浮力绕组，所以其气隙磁导的表达式是一样的；在不计高次谐波的影响下，单个定子齿极与转子齿极间的气隙磁导傅里叶展开式写为：
9.根据权利要求8所述的双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：所述径向悬浮力数学模型为：在电机运行过程中气隙中总的磁动势由四个部分磁动势相加得到，再结合之前的气隙磁导数学模型，则气隙磁通密度的表达式写为：
...【技术特征摘要】
1.双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：由双馈交替极无轴承磁通反向电机工作原理得知悬浮与电枢绕组间几乎没有互感，得出电机电磁转矩和径向悬浮力之间的控制是互相解耦的，能够通过控制方法独立控制，并为了简化分析双馈交替极无轴承磁通反向电机磁路计算过程，作出如下假设：各种材料的磁导率为常数，不受温度、压力外部因素的影响；分析中不考虑端部效应和磁饱和现象对磁场的影响；忽略定、转子轭的磁阻，所述径向悬浮力子系统数学模型的建立仅考虑电枢基波电流及转子基波磁动势，包括悬浮力绕组的磁动势、转矩绕组产生的磁动势、永磁体产生的气隙磁动势、考虑转子凸极性的气隙磁导数学模型、径向悬浮力数学模型。
2.根据权利要求1所述的双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：双馈交替极无轴承磁通反向电机拓扑是由12/14极交替极磁通反向电机演变而来，双馈交替极无轴承磁通反向电机在传统交替极磁通反向电机的基础上，在其定子齿上附加一套额外的悬浮力绕组；转子部分增加了一套转矩绕组，提高转矩密度；并且双馈交替极无轴承磁通反向电机的永磁体用量相比于传统磁通反向电机减半，且所有永磁体极性相同，永磁体旁的铁磁极靴自动充当另一极的作用；转矩绕组与悬浮绕组分别置于定子上，减少了磁场耦合；定子与转子间的气隙为主气隙，匝链绝大部分永磁磁链；定转子采用定子永磁型电机常用的双凸极结构，转子无永磁体，加强了转子的机械一体性。
3.根据权利要求2所述的双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：所述悬浮力绕组采用集中式绕组的连接方式，将其分为:i1,i2,i3,i4,i5,i6，共六相，用于产生径向悬浮力；每相悬浮力绕组由相对位置的两个绕组线圈串联而成，转矩绕组的每相都有四个绕组线圈串联而成，将其分为：a，b、c，共三相，用于产生转矩；其中，a、b、c三相的连接方式是类似的，每相差120°电角度。
4.根据权利要求3所述的双馈交替极无轴承磁通反向电机的径向悬浮力子系统数学模型，其特征在于：所述双馈交替极无轴承磁通反向电机工作原理为：双馈交替极无轴承磁通反向电机包含转矩磁场、悬浮磁场和永磁磁...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨益飞，王仁忠，汪红兵，王博文，林志伟，
申请(专利权)人：苏州市职业大学苏州开放大学，
类型：发明
国别省市：
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