【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及轴向磁通永磁电机领域，具体是一种海尔贝克阵列轴向磁通电机及其解析方法。
技术介绍
1、轴向磁通永磁电机的定转子是沿轴向排布，因此轴向磁通永磁电机具有更紧凑的轴向结构、更高的转矩密度、更大的功率密度，并且损耗低、效率高，在航空航天、国防、交通运输、工农业生产和公共生活等领域有广泛的应用。
2、采用halbach磁极阵列的轴向磁通永磁电机是轴向磁通永磁电机中的一种，相比于传统表贴式磁极阵列，电机在采用halbach磁极阵列后具有明显的优点，气隙磁场趋于正弦分布，降低了转子磁动势谐波含量进而有效降低转矩脉动和齿槽转矩。电机气隙侧具有单边聚磁性能，提高了电机反电势系数，转子侧能够大大减少磁饱和程度，因此有效降低电机的体积和重量，提升了转矩密度和功率密度。
3、三维解析方法相比于二维解析方法，能够更加精确的模拟和分析轴向磁通电机中的电磁场分布和变化，这包括对定子、定子绕组、气隙和永磁体等在的三维空间中的电磁相互作用的建模。通过三维解析方法的建立和分析，可以更准确地评估轴向磁通电机的电磁性能，并对电机进行性能优化和设计改进。
4、现有技术在双定子单转子轴向磁通电机领域的研究还相对较少、结构比较单一。尽管轴向磁通电机在一些特定应用领域中已被广泛研究和运用，但在整个电机领域中的研究仍处于起步阶段，与传统径向磁通电机相比，轴向磁通电机虽会产生更高的平均转矩，但同样会伴随着更大的转矩脉动，增加电机设备的噪声，对设备的使用和工作环境产生较大的影响，所以电机拓扑结构仍有很大的提升空间。针对轴向磁通电机的
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种海尔贝克阵列轴向磁通电机及其解析方法，以解决现有技术存在的轴向磁通电机转矩密度不够高的问题，以及解析方法不适用于有槽结构，无法对不等厚不同剩磁材料的halbach阵列结构进行解析的问题。
2、为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
3、一种海尔贝克阵列轴向磁通电机，包括双定子单转子，所述定子、转子均为环柱形，所述定子用于缠绕线圈，两个定子和转子同轴直线分布，且转子位于两个定子之间，每个定子分别设有多个沿定子环向等间距均匀分布的定子槽，且定子槽的槽口均朝向所述转子，每个定子和转子之间空隙中分别设有海尔贝克磁极阵列，每个海尔贝克磁极阵列分别由多个环向分布的磁极构成，每个海尔贝克磁极阵列中多个磁极等间距分布，并且每个磁极朝向转子的一面紧贴于转子的相应面，由每个海尔贝克磁极阵列中磁极组成的环形和对应的定子之间的间隙形成气隙；
4、每个海尔贝克磁极阵列中每个磁极分别包括三段，分别为中间永磁体以及紧贴于中间永磁体顺时针侧的顺时针侧永磁体、紧贴于中间永磁体逆时针侧的逆时针侧永磁体；所述中间永磁体、顺时针侧永磁体、逆时针侧永磁体均为扇环形，且每个磁极的中间永磁体、顺时针侧永磁体、逆时针侧永磁体均与转子同轴；每个磁极的顺时针侧永磁体、逆时针侧永磁体跨角相同，中间永磁体的跨角大于顺时针侧永磁体、逆时针侧永磁体跨角，且顺时针侧永磁体、逆时针侧永磁体按中间永磁体的中轴线呈对称；每个磁极的顺时针侧永磁体、逆时针侧永磁体的轴向厚度均为中间永磁体轴向厚度的一半；每个磁极的中间永磁体采用轴向方向的平行磁化方式，每个磁极的顺时针侧永磁体、逆时针侧永磁体的磁化角均为磁化方向与轴向的夹角；
5、以每环向相邻的两个磁极为一个磁极组，每个磁极组的磁通路径为从第一个磁极出发，通过气隙到达定子，再从定子通过气隙到达该磁极组的第二个磁极，然后通过转子铁心与第一个磁极形成闭合回路，定义每个磁极组的磁通路径中第一个磁极为n极、第二个磁极为s极，由此得到均为三段的n极、s极。
6、进一步的，所述定子的定子槽采用平行槽结构。
7、进一步的，每个磁极的中间永磁体的剩余磁化强度为1.3t，顺时针侧永磁体、逆时针侧永磁体的剩余磁化强度均为1.1t。
8、一种上述海尔贝克阵列轴向磁通电机的解析方法，包括以下步骤：
9、步骤1、给出上述海尔贝克阵列轴向磁通电机解析方法中磁场强度h和标量磁位之间的关系；
10、步骤2、采用精确子域模型法，将电机的转子内外半径之间、转子轴向上下表面到气隙与定子的交界面之间的区域划分为内部子域、中间子域和外部子域三个环形圆柱区域，其中：
11、内部子域为以转子铁心内径和n极、s极中永磁体内径为域的内外径，n极、s极永磁体轴向厚度和气隙轴向高度之和为高的环形圆柱区域；
12、中间子域为以n极、s极中永磁体内径和外径为域的内外径，n极、s极永磁体轴向厚度和气隙轴向高度之和为高的环形圆柱区域；
13、外部子域为以n极、s极中永磁体外径和转子铁心外径为内外径，n极、s极永磁体轴向厚度和气隙轴向高度之和为高的环形圆柱区域；
14、然后，分别对三个子域建立三维坐标系下的泊松方程和拉普拉斯方程，采用分离变量法求解得到圆柱坐标系下各子域的标量磁位的通解表达式；
15、步骤3、由于中间子域中每个n极、s极的中间永磁体与顺时针永磁体和逆时针永磁体的剩余磁化强度不同，将中间子域进一步划分为中间子域1和中间子域2，其中每个磁极组中，以各个n极、s极的中间永磁体形成的中间域为中间子域1，各个n极、s极的顺时针永磁体和逆时针永磁体形成的中间域为中间子域2；分别给出中间子域1和中间子域2的轴向和周向磁化强度表达式，并对其分别进行奇延拓和偶延拓，建立磁化强度的轴向和周向的双重傅里叶分解表达式；
16、步骤4、根据安培环路定律和磁通连续性原理的分界面衔接条件，求解步骤2中各子域磁位表达式中的双重傅里叶级数分量系数，得到每个子域的标量磁位关于半径r、周向角度θ和轴向高度z的一般表达式，并通过步骤1中磁场强度h和磁通密度b与标量磁位之间的关系，计算得到磁场强度h和磁通密度b的一般表达式；
17、步骤5、由于定子槽的存在，基于步骤3得到的磁通密度b的一般表达式并不准确，根据磁阻最小原理，引入卡特系数计算等效气隙ge作为实际有效气隙；
18、步骤6、根据步骤5得到的实际有效气隙长度重新计算磁通密度b的表达式，并根据电磁感应定律计算线圈中各相的反电动势及电磁转矩。
19、进一步的，步骤3中，奇延拓和偶延拓的确定需要根据步骤4中磁通密度b的在圆柱坐标系三个坐标分离下的一般表达式的形式确定，具体表现为径向分量br和周向分量bθ做奇延拓，轴向分量bz做偶延拓。
20、进一步的，步骤3中，由分离变量法求解三维标量磁位在圆柱坐标系下的泊松方程和拉普拉斯方程，得到圆柱坐标系下各子域的标量磁位的通解表达式，再由安培环路定律和磁通连续性原理推得的分界面衔接条件，求解各子域磁本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种海尔贝克阵列轴向磁通电机，包括双定子单转子，所述定子、转子均为环柱形，所述定子用于缠绕线圈，两个定子和转子同轴直线分布，且转子位于两个定子之间，每个定子分别设有多个沿定子环向等间距均匀分布的定子槽，且定子槽的槽口均朝向所述转子，其特征在于，每个定子和转子之间空隙中分别设有海尔贝克磁极阵列，每个海尔贝克磁极阵列分别由多个环向分布的磁极构成，每个海尔贝克磁极阵列中多个磁极等间距分布，并且每个磁极朝向转子的一面紧贴于转子的相应面，由每个海尔贝克磁极阵列中磁极组成的环形和对应的定子之间的间隙形成气隙；
2.根据权利要求1所述的一种海尔贝克阵列轴向磁通电机，其特征在于，所述定子的定子槽采用平行槽结构。
3.根据权利要求1所述的一种海尔贝克阵列轴向磁通电机，其特征在于，每个磁极的中间永磁体的剩余磁化强度为1.3T，顺时针侧永磁体、逆时针侧永磁体的剩余磁化强度均为1.1T。
4.一种如权利要求1-3中任意一项海尔贝克阵列轴向磁通电机的解析方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的海尔贝克阵列轴向磁通电机的解析方法，其特征在
6.根据权利要求4所述的海尔贝克阵列轴向磁通电机的解析方法，其特征在于，步骤3中，由分离变量法求解三维标量磁位在圆柱坐标系下的泊松方程和拉普拉斯方程，得到圆柱坐标系下各子域的标量磁位φ的通解表达式，再由安培环路定律和磁通连续性原理推得的分界面衔接条件，求解各子域磁位表达式中的各双重傅里叶级数分量系数，得到每个子域的标量磁位φ关于半径r，周向角度θ和轴向高度z的一般表达式。
...【技术特征摘要】
1.一种海尔贝克阵列轴向磁通电机，包括双定子单转子，所述定子、转子均为环柱形，所述定子用于缠绕线圈，两个定子和转子同轴直线分布，且转子位于两个定子之间，每个定子分别设有多个沿定子环向等间距均匀分布的定子槽，且定子槽的槽口均朝向所述转子，其特征在于，每个定子和转子之间空隙中分别设有海尔贝克磁极阵列，每个海尔贝克磁极阵列分别由多个环向分布的磁极构成，每个海尔贝克磁极阵列中多个磁极等间距分布，并且每个磁极朝向转子的一面紧贴于转子的相应面，由每个海尔贝克磁极阵列中磁极组成的环形和对应的定子之间的间隙形成气隙；
2.根据权利要求1所述的一种海尔贝克阵列轴向磁通电机，其特征在于，所述定子的定子槽采用平行槽结构。
3.根据权利要求1所述的一种海尔贝克阵列轴向磁通电机，其特征在于，每个磁极的中间永磁体的剩余磁化强度为1.3t，顺时针侧永磁体、逆时针侧永磁体的剩余磁...
【专利技术属性】
技术研发人员：倪有源，刘晨浩，邹劲松，肖本贤，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：
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