【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海尔贝克阵列轴向磁通电机领域，具体是一种轴向分层的海尔贝克阵列轴向磁通电机及其解析方法。
技术介绍
1、轴向磁通电机是一种能够提供高效可靠运行的电机。与传统的径向磁通电机相比，轴线磁通电机由于采用了轴向磁通的设计，减少了磁阻和能量的损耗，具有更高的效率，能够在相同电机体积下产生更大的转矩输出，并且具有广阔的工作范围，在工业、交通、航空航天和能源等多个领域均有广泛的应用。
2、尽管轴向磁通电机在一些特定应用领域中已被广泛运用，但在整个电机领域中的研究仍处于起步阶段。轴向磁通电机在产生更高平均转矩的同时，同样会伴随着更大的转矩脉动，增加电机设备的噪声，所以电机拓扑结构仍有很大的提升空间，有必要对现有的轴向磁通电机进行改进。目前，针对轴向磁通电机的解析方法也仅停留在单层结构，无法对具有轴向分层结构的海尔贝克磁极阵列结构进行解析建模。
3、现已有专利(申请号：202311433654.9)中提出了一种单层的具有不同高度海尔贝克阵列磁极的轴向磁通电机及其解析方法，与其相比，本专利提出的轴向磁通电机磁极结构为一种新型的轴向双层结构，电机具有更强的聚磁能力和更好的电磁性能；且本专利对已有专利(申请号：202311433654.9)中的解析方法进行了优化，优化之后的解析方法不仅仅适用于单层结构，对轴向双层乃至多层结构同样适用。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种轴向分层的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
2、为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
3、一种轴向分层的海尔贝克阵列轴向磁通电机，包括同轴分布的两个定子和一个转子，其中转子位于两个定子之间，每个定子朝向转子的一面分别各自设有多个定子槽，每个定子的定子槽沿所在定子环向等间距均匀分布，两个定子的定子槽位置一一对应；
4、所述转子朝向每个定子的轴向端面分别紧贴放置有海尔贝克磁极阵列，转子每个轴向端面的海尔贝克磁极阵列分别由多个沿转子环向等间距分布的若干磁极构成，且转子两个轴向端面的海尔贝克磁极阵列中的磁极位置一一对应，由每个海尔贝克磁极阵列和对应方向定子之间间隙分别形成气隙；
5、每个海尔贝克磁极阵列中的磁极均由中间永磁体、顺时针侧上层永磁体、顺时针侧下层永磁体、逆时针侧上层永磁体、逆时针侧下层永磁体共五段扇形永磁体组成，每个磁极中顺时针侧上层永磁体、顺时针侧下层永磁体紧贴位于中间永磁体的顺时针侧，且顺时针侧上层永磁体、顺时针侧下层永磁体在平行于转子轴向方向各为一层，每个磁极中逆时针侧上层永磁体、逆时针侧下层永磁体紧贴位于中间永磁体的逆时针侧，且逆时针侧上层永磁体、逆时针侧下层永磁体在平行于转子轴向方向各为一层，由此每个磁极中的中间永磁体的顺时针侧、逆时针侧每侧均有两层永磁体；
6、每个磁极中的顺时针侧上层永磁体、顺时针侧下层永磁体、逆时针侧上层永磁体、逆时针侧下层永磁体的轴向厚度和跨角相同，每个磁极中的顺时针侧上层永磁体、顺时针侧下层永磁体、逆时针侧上层永磁体、逆时针侧下层永磁体的磁化角均为磁化方向与轴向的夹角，每个磁极中的顺时针侧上层永磁体、逆时针侧上层永磁体的磁化角相同且沿中间永磁体的中轴线对称，每个磁极中的顺时针侧下层永磁体、逆时针侧下层永磁体的磁化角相同且沿中间永磁体的中轴线对称，且每个磁极中同侧上层永磁体的磁化角大于下层永磁体的磁化角，每个磁极中的中间永磁体采用轴向传统磁化方式，中间永磁体的轴向厚度和剩余磁化强度均大于两侧永磁体；
7、每个海尔贝克磁极阵列中，以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，然后通过转子与第一个磁极形成闭合回路，由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。
8、进一步的，每个磁极中，顺时针侧上层永磁体和逆时针侧上层永磁体的磁化角度为34°，顺时针侧下层永磁体和逆时针侧下层永磁体的磁化角度为17°。
9、进一步的，每个磁极中，中间永磁体跨角为4°，中间永磁体两侧的每个永磁体的跨角均为4.3°。
10、进一步的，每个磁极中，中间永磁体的剩余磁化强度为1.3t，顺时针侧上、下层永磁体和逆时针侧上、下层永磁体的剩余磁化强度均为1.1t。
11、一种上述轴向分层的海尔贝克阵列轴向磁通电机的解析方法，包括以下步骤：
12、步骤1、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、外部子域、中间子域1和中间子域2共四个环形圆柱子域；
13、步骤2、计算步骤1中划分的各个子域的轴向和周向磁化强度分量系数，并对其分别进行奇、偶延拓，建立轴向和周向磁化强度系数的双重傅里叶表达式；
14、步骤3、对不同子域分别建立在三维坐标系下的泊松方程和拉普拉斯方程，根据分离变量方法对其进行求解，得到三维坐标系下不同子域的标量磁位通解表达式；
15、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3中各子域标量磁位表达式中的未知系数，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，基于磁场强度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；
16、步骤5、考虑有槽对电机性能的影响，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，并重新计算磁通密度b的表达式，然后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。
17、进一步的，步骤2中，奇延拓和偶延拓的确定需要根据步骤3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。
18、进一步的，步骤4中，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，通过建立矩阵方程来求解各子域磁位表达式中的未知系数，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。
19、与现有技术相比，本专利技术优点为：
20、本专利技术中，具有轴向分层的海尔贝克阵列轴向磁通电机，相比于传统轴向磁通电机，永磁体为五段环向排列、轴向分层的海尔贝克磁极阵列，在保证单位体积内的剩余磁化强度相同的情况下，对海尔贝克永磁阵列的磁化角和跨角进行优化，具有比传统轴向磁通电机更大的转矩密度和更小的转矩脉动，有效的利用了磁通进而提高电机的转矩性能。同时解决了现有三维解析方法中无法对具有轴向分层结构的海尔贝克磁极阵列结构进行解析的问题。
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1.一种轴向分层的海尔贝克阵列轴向磁通电机，其特征在于，包括同轴分布的两个定子和一个转子，其中转子位于两个定子之间，每个定子朝向转子的一面分别各自设有多个定子槽，每个定子的定子槽沿所在定子环向等间距均匀分布，两个定子的定子槽位置一一对应；
2.根据权利要求1所述的一种轴向分层的海尔贝克阵列轴向磁通电机，其特征在于，每个磁极中，顺时针侧上层永磁体和逆时针侧上层永磁体的磁化角度为34°，顺时针侧下层永磁体和逆时针侧下层永磁体的磁化角度为17°。
3.根据权利要求1所述的一种轴向分层的海尔贝克阵列轴向磁通电机，其特征在于，每个磁极中，中间永磁体跨角为4°，中间永磁体两侧的每个永磁体的跨角均为4.3°。
4.根据权利要求1所述的一种轴向分层的海尔贝克阵列轴向磁通电机，其特征在于，每个磁极中，中间永磁体的剩余磁化强度为1.3T，顺时针侧上、下层永磁体和逆时针侧上、下层永磁体的剩余磁化强度均为1.1T。
5.一种如权利要求1-4中任意一项所述轴向分层的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：
6.根据权利要求5
7.根据权利要求5所述的轴向分层海尔贝克阵列轴向磁通电机的解析方法，其特征在于，步骤4中，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，通过建立矩阵方程来求解各子域磁位表达式中的未知系数，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】
1.一种轴向分层的海尔贝克阵列轴向磁通电机，其特征在于，包括同轴分布的两个定子和一个转子，其中转子位于两个定子之间，每个定子朝向转子的一面分别各自设有多个定子槽，每个定子的定子槽沿所在定子环向等间距均匀分布，两个定子的定子槽位置一一对应；
2.根据权利要求1所述的一种轴向分层的海尔贝克阵列轴向磁通电机，其特征在于，每个磁极中，顺时针侧上层永磁体和逆时针侧上层永磁体的磁化角度为34°，顺时针侧下层永磁体和逆时针侧下层永磁体的磁化角度为17°。
3.根据权利要求1所述的一种轴向分层的海尔贝克阵列轴向磁通电机，其特征在于，每个磁极中，中间永磁体跨角为4°，中间永磁体两侧的每个永磁体的跨角均为4.3°。
4.根据权利要求1所述的一种轴向分层的海尔贝克阵列轴向磁通电机，其特征在于，每个磁极中，中间永磁体的剩余磁化强度为1...
【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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