【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电机的数学建模与电磁场解析计算领域，涉及一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析及转矩提升机理。
技术介绍
1、随着调制电机理论的发展，多工作谐波的永磁游标电机凭借其高转矩密度、无需减速箱等特性，在风力发电、船舶航行等领域得到了广泛的关注与应用。常规的永磁游标电机大多是仅定子侧或仅转子侧单边励磁，单边励磁限制了电机的转矩密度进一步提升。双边励磁结构在定子侧和转子侧均安装永磁体以增强气隙磁场，可显著提升电机转矩密度。然而，双边励磁的磁场调制电机的调制关系复杂，气隙磁密谐波阶次增多且两侧永磁体产生的磁场相互叠加，使得双边励磁的磁场调制电机分析难度较大，现有分析方法难以对谐波反电势和谐波转矩进行精准表征。
2、磁场调制类电机的各次谐波对转矩贡献的分析方法大致分为两类：能量法和麦克斯韦张量法。由于麦克斯韦张量法具有通用性，部分文献采用麦克斯韦张量法对电机转矩进行验证,然而在定子侧的永磁体工作时与绕组间并不产生相对移动，即定子侧永磁体本身不贡献反电势，但利用麦克斯韦张量法计算电机转矩时，定子侧永磁体本身却贡献有效转矩。此外，麦克斯韦张量法跳过了反电势分析，且并不能清楚地揭示输出转矩与电磁参数之间的关系。因此，麦克斯韦张量法对于双永磁磁场谐波分析具有一定的局限性。相比于麦克斯韦张量法，能量法对于分析磁场谐波更为系统。
3、中国专利公开号为cn 108595772a、名称为“一种定转子磁场调制电机的2d磁路剖分建模方法”的文献中公开了一种采用等效磁网络来进行磁路剖分的磁场调制电机建模及分析方法，该方法计算
4、中国专利公开号为cn 114741933a、名称为“一种磁场调制电机数学调制模型及磁场解析方法”的文献中公开了一种建立调制算子数学模型，实现对电机磁场解析的方法。该方法不依赖与仿真软件，计算分析方便、灵活、快捷，但该方法并不能实现对气隙磁密谐波转矩贡献的定量表征。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提出一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析及转矩提升机理，通过数学公式表征电机机械结构及磁场模型。当电机尺寸参数发生改变时能够灵活调整，从原理上阐述该类电机的电磁场作用机理，且可以实现对气隙磁密谐波转矩贡献的定量表征。进一步地，以推导所得表达式为指导，定量修改相关参数以实现电机转矩提升。
2、为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：所选用的磁场调制电机为定子12槽，定子永磁体12对极，转子永磁体19对极，包括定子铁芯、定子永磁体、转子铁芯、转子永磁体、定子绕组、气隙六个部分；定子铁芯包含6个三裂齿，6个辅助齿，构成24个调制齿参与调制；定子12块永磁体表嵌在6个三裂齿所产生的12个槽口内；转子铁芯包含19个凸极，参与调制；转子19块连续极永磁体分别表嵌在凸极产生的槽口内；定子电枢绕组采用分数槽集中绕组；气隙位于定子与转子中间，气隙厚度为0.7mm。
3、进一步地，由于双边励磁的磁场调制电机包含多种调制关系，且定子侧与转子侧的调制关系不同，为简化磁场分析，本专利技术所提出的一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析及转矩提升机理，需遵循以下设定：将双边励磁的磁场调制电机拆分，分为仅定子侧励磁的磁场调制电机和仅转子侧励磁的磁场调制电机分别进行分析；定子铁芯和转子铁芯的磁导是无限的；磁动势、气隙磁密和气隙磁导仅在周向变化，在径向和轴向上均匀。
4、进一步地，根据需分析的磁场调制电机，建立转子永磁磁动势表达式(1)，表达式当中需包含转速项以表征转子永磁体旋转；建立定子永磁磁动势表达式(2)，表达式当中不包含转速项以表征定子永磁体相对静止；为便于建模，定、转子磁动势可简化等效为方波。
5、
6、其中，fpmr1为转子永磁体磁动势基波的幅值，i,odd表示有效谐波倍数仅包含奇数倍，br为永磁体剩磁密度，hpmr为转子永磁体厚度，μr为材料磁导率，μ0为真空磁导率，pmr为转子永磁体极对数，ωr为转子机械角速度，θpmr,i为转子磁动势的第i倍谐波阶次的初相位，θs为定子机械角度，β为极弧系数。
7、
8、其中，fpms1为定子永磁体磁动势基波的幅值，hpms为定子永磁体厚度，pms为定子永磁体极对数，θpms,i为定子永磁体磁动势的第i倍谐波阶次的初相位，θr为转子机械角度。
9、磁场调制电机的永磁体排布方式主要为n极、s极排布(ns)或交替排布(cp)。当永磁体为ns结构时，可直接用公式(1)和(2)表征。当永磁体为cp结构时，永磁体与两侧的铁芯存在自调制现象，进而调制产生多种磁动势谐波。其中，定子侧永磁体与定子磁导均静止，其调制所得谐波也静止；转子侧永磁体与转子磁导旋转速度一致，调制所得谐波阶次仍为永磁体极对数，且旋转速度不变。在气隙侧，自调制所得磁动势谐波依旧可以由公式(1)、(2)进行方波等效表征。
10、进一步地，建立转子磁导表达式(3)，表达式当中需包含转速项以表征转子磁导旋转；建立定子磁导表达式(4)，表达式当中不包含转速项以表征定子磁导相对静止；为便于建模，定、转子磁导可简化等效为方波。
11、
12、其中，λj和θmj是磁导的第j倍谐波阶次的幅值与初相位，λ0是气隙圆周内磁导的平均值，zs为定子调制齿极对数。
13、
14、zr为转子调制齿极对数。
15、进一步地，永磁体磁动势表达式与磁导表达式相乘时，应考虑磁场调制电机的双侧调制关系，即转子永磁体磁动势应与定子磁导相乘，定子永磁体磁动势应与转子磁导相乘，得到转子侧励磁气隙磁密表达式(5)和定子侧励磁气隙磁密表达式(6)。
16、
17、其中，bpmr，bpar和θpmr，θpar分别为转子永磁体的原磁密和调制磁密的幅值与相位。
18、
19、其中，bpms，bpas和θpms，θpas分别为定子永磁体的原磁密和调制磁密的幅值与相位。
20、进一步地，根据电机定子拓扑结构建立绕组函数表达式(7)，绕组函数表达式不受永磁体位置影响。绕组函数表达式包含绕组因数，可准确表示电流输入后，电机定子拓扑结构对电枢磁场谐波含量的影响。为保证准确度，绕组因数由分布因数、节距因数、槽口因数构成。
21、
22、其中，ns为每相的绕组匝数，kωn为绕组系数，由分布因数kdn、节距因数kpn、槽口系数ksn共同决定，τ为极距，y为节距，α为槽距角，cs为槽开口因数。θωn是电枢第n次谐波的初相位，a＝0、1、2时分别代表a、b、c三相。
23、在磁场调制电机中，定子侧齿部结构主要为直齿和分裂齿，槽口由齿部结构决定。槽开口因数的大小为槽开口弧度总和与360°的比值，在直齿结构中，槽开口因数通常为0.5-0.7；在分裂齿结构中，槽开口因数通常为0.2-0.4。
24、进一步地，气隙磁本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析方法，其特征在于，所选用的磁场调制电机为定子12槽，定子永磁体12对极，转子永磁体19对极，包括定子铁芯、定子永磁体、转子铁芯、转子永磁体、定子绕组、气隙六个部分；定子铁芯包含6个三裂齿，6个辅助齿，构成24个调制齿参与调制；定子12块永磁体表嵌在6个三裂齿所产生的12个槽口内；转子铁芯包含19个凸极，参与调制；转子19块连续极永磁体分别表嵌在凸极产生的槽口内；定子电枢绕组采用分数槽集中绕组；气隙位于定子与转子中间，气隙厚度为0.7mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析方法，其特征在于，所述步骤1具体过程为：建立转子永磁磁动势表达式，表达式当中需包含转速项以表征转子永磁体旋转；建立定子永磁磁动势表达式，表达式当中不包含转速项以表征定子永磁体相对静止；为便于建模，定、转子磁动势可简化等效为方波。
4.根据权利要求1所述的一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析方法，其特征在
5.根据权利要求1所述的一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析方法，其特征在于，所述步骤3中，永磁体磁动势表达式与磁导表达式相乘时，应考虑磁场调制电机的双侧调制关系，即转子永磁体磁动势应与定子磁导相乘，定子永磁体磁动势应与转子磁导相乘；
6.根据权利要求1所述的一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析方法，其特征在于，所述步骤4中，根据电机定子拓扑结构建立绕组函数表达式，绕组函数表达式不受永磁体位置影响；绕组函数表达式包含绕组因数，可准确表示电流输入后，电机定子拓扑结构对电枢磁场谐波含量的影响；为保证准确度，绕组因数由分布因数、节距因数、槽口因数构成；推导过程为：步骤3推导所得气隙磁密表达式与绕组函数相乘；在圆周上进行积分；乘以电机尺寸参数后对时间求导；令时刻为零；最终推导所得表达式即为空载反电势基波幅值表达式；
7.一种基于能量法的磁场调制电机转矩提升方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种基于能量法的磁场调制电机转矩提升方法，其特征在于，所述步骤A中，对磁场调制电机空载气隙磁密进行提取，傅里叶分解后得到其各阶次谐波的幅值与相位；若为单边励磁磁场调制电机，直接提取空载气隙磁密各阶次谐波的幅值与相位；若为双边励磁磁场调制电机，需将其拆分成两个单边励磁的磁场调制电机，分别提取空载气隙磁密各阶次谐波的幅值与相位。
9.根据权利要求7所述的一种基于能量法的磁场调制电机转矩提升方法，其特征在于，所述步骤1中，根据空载气隙磁密有效谐波阶次，提取绕组磁动势有效阶次谐波相位；若为双边励磁磁场调制电机，根据不同励磁情况，有效工作谐波阶次会发生改变，提取绕组磁动势对应谐波阶次也相应改变；
10.根据权利要求7所述的一种基于能量法的磁场调制电机转矩提升方法，其特征在于，所述步骤C，根据绕组磁动势相位，通过修改永磁体位置，可直接修改永磁体本身对应阶次的相位，同时通过磁导调制作用，间接修改调制所得谐波相位，实现负贡献谐波相位变化，进一步实现负贡献谐波利用，最终实现电机转矩提升。
...【技术特征摘要】
1.一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析方法，其特征在于，所选用的磁场调制电机为定子12槽，定子永磁体12对极，转子永磁体19对极，包括定子铁芯、定子永磁体、转子铁芯、转子永磁体、定子绕组、气隙六个部分；定子铁芯包含6个三裂齿，6个辅助齿，构成24个调制齿参与调制；定子12块永磁体表嵌在6个三裂齿所产生的12个槽口内；转子铁芯包含19个凸极，参与调制；转子19块连续极永磁体分别表嵌在凸极产生的槽口内；定子电枢绕组采用分数槽集中绕组；气隙位于定子与转子中间，气隙厚度为0.7mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析方法，其特征在于，所述步骤1具体过程为：建立转子永磁磁动势表达式，表达式当中需包含转速项以表征转子永磁体旋转；建立定子永磁磁动势表达式，表达式当中不包含转速项以表征定子永磁体相对静止；为便于建模，定、转子磁动势可简化等效为方波。
4.根据权利要求1所述的一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析方法，其特征在于，所述步骤2具体过程为：建立转子磁导表达式，表达式当中需包含转速项以表征转子磁导旋转；建立定子磁导表达式，表达式当中不包含转速项以表征定子磁导相对静止；为便于建模，定、转子磁导可简化等效为方波。
5.根据权利要求1所述的一种基于能量法的磁场调制电机谐波特性分析方法，其特征在于，所述步骤3中，永磁体磁动势表达式与磁导表达式相乘时，应考虑磁场调制电机的双侧调制关系，即转子永磁体磁动势应与定子磁导相乘，定子永磁体磁动势应与转子磁导相乘；
6.根据权利要求1所述的一种基...
【专利技术属性】
技术研发人员：凌志健，顾友壮，赵文祥，徐媚媚，吉敬华，马海宁，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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