CN108110923B - 一种无轴承磁通切换电机转子齿宽快速设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无轴承磁通切换电机转子齿宽快速设计方法。通过转子齿宽最优化设计，实现功率绕组反电动势幅值最大，从而在有限的定子槽空间中功率绕组安匝数最少，悬浮绕组安匝数最大化，显著提高转子悬浮力的输出及降低悬浮力脉动。本发明方法所需计算资源很少，计算量和计算耗费时间很少；最大程度降低了定子槽中功率绕组安匝数；显著增大了悬浮力的输出能力且明显降低了悬浮力的脉动幅值。

Description

一种无轴承磁通切换电机转子齿宽快速设计方法

技术领域

本发明涉及一种无轴承磁通切换电机转子齿宽快速设计方法。

背景技术

无轴承磁通切换电机(BFSPMM)永磁***于定子上，转子为凸极式铁芯，所以该电机永磁体热量便于散发，没有永磁退磁的风险。同时嵌放绕组的槽也位于定子上，利用定转子双边齿之间的磁阻随转子位置的变化而变化特性，在定子功率绕组中产生正弦波反电动势。为了进一步实现转子的悬浮运行，需要在定子上嵌入悬浮绕组，这样功率绕组和悬浮绕组同时嵌放在定子上。为了在一定的铁芯体积下，产生满足要求的电机功率，需要有足够的功率绕组安匝数；同样，为了产生满足要求的转子悬浮力，需要有足够的悬浮绕组安匝数。而实际定子铁芯体积是受限一定的，这样导致能够安放功率绕组和悬浮绕组总的安匝数不能随意增大，是受限一定的，那么如何在满足转子旋转力矩的情况下，尽可能减小功率绕组安匝数，增大悬浮绕组安匝数，从而增强电机转子悬浮控制能力是一个期待解决的科学问题。

当然，为了提高定子铁芯能够安放绕组安匝数能力，可以扩大定子外径，从而扩大定子槽面积。这种解决问题方法带来所设计电机体积增大，电机成本的提高。所以，较佳的解决方法是定子侧尺寸不变，优化转子侧尺寸，从而在受限的定子上减少功率绕组安匝数，增大悬浮绕组安匝数，这样在不增大电机体积、满足转子旋转需求情况下，增大转子的悬浮能力。

由于转子侧是一种凸极式铁芯结构，可供优化的参数有外径和转子齿宽。随着允许的转子径向偏移量和定子侧参数确定后，电机气隙长度也随之确定，从而转子铁芯外径也随之确定。所以转子侧实际能优化的参数只有转子齿宽。

在机械轴承支撑磁通切换电机中，永磁体高度与定子齿高度取相同值，从产生正弦波反电动势角度，利用有限元分析方法对电机反电动势进行反复有限元仿真分析，最终确定转子的齿宽约为1.2倍的定子齿宽较佳。显然该种方法缺点是：(1)有限元计算花费时间长；(2)有限元分析中初始转子齿宽的选择盲目，带来有限元分析优化转子齿宽花费时间的进一步增长。

本发明针对的是无轴承磁通切换电机，为了在定子上同时安放控制转子旋转的功率绕组和控制转子悬浮的悬浮绕组，这种结构显然有别于机械轴承支撑磁通切换电机，对转子齿宽的优化要同时兼顾转子旋转和转子悬浮两方面的性能。如何根据这一优化目标新要求，快速优化出转子齿宽，成为设计无轴承磁通切换电机的关键，而且目前还没有这方面的研究成果公开过。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无轴承磁通切换电机转子齿宽快速设计方法，通过转子齿宽最优化设计，实现功率绕组反电动势幅值最大，从而在有限的定子槽空间中功率绕组安匝数最少，悬浮绕组安匝数最大化，显著提高转子悬浮力的输出及降低悬浮力脉动。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种无轴承磁通切换电机转子齿宽快速设计方法，提供一三相悬浮绕组的无轴承磁通切换电机结构，其基本结构与三相磁通切换永磁电机相似，其定子由12个U型铁芯冲片构成，且相邻的两个U型铁芯冲片之间夹着一个永磁体，定子中间为转子，靠近定子外侧设有电枢绕组A、B、C，靠近定子内侧设有悬浮绕组a、b、c；该方法实现步骤如下，

步骤S1、根据磁通切换电机或交流电机设计理论，确定出定子齿宽，定子槽宽与定子齿宽相同；

步骤S2、根据转子允许的最大径向偏移，确定出气隙长度g₀；

步骤S3、利用磁路分割方法，建立δ等于9°时定、转子磁路分割图，其中δ为永磁体中心线与转子齿中心线偏移角度；

步骤S4、根据步骤S3的磁路分割，建立G1～G6各磁通管磁导数学模型：

其中，k_rs＝w_r/w_s为定子齿宽比，w_s、w_r分别为定子和转子齿宽，μ₀表示空气磁导率，l_a表示铁心轴向长；

步骤S5、根据G1～G6各磁通管磁导数学模型，进一步建立总磁导G_g数学模型G_g＝f(w_s,w_r,g₀)：

G_g＝G₁+G₂+G₃+G₄-(G₅+G₆) (7)

步骤S6、根据总磁导G_g对转子齿宽w_r求微分等于零原理，推导最优的转子齿宽解析数学模型w_r＝f(w_s,g₀)：

步骤S7、将步骤S6转子齿宽值作为初始值，基于变结构磁路网络或有限元分析计算法进一步对转子齿宽进行优化。

在本发明一实施例中，所述步骤S3中，利用磁路分割方法，建立δ等于9°时定、转子磁路分割图的具体实现过程如下，

设电枢绕组A的功率绕组线圈A2嵌套在2个U型铁芯冲片的定子齿T11和T122上，在δ等于9°时，将该部分定子和转子沿圆周方向展开，则其不含悬浮绕组部分的磁路可分割为G1～G8磁通管，其中，定子齿T11与转子齿P1之间通过G1、G2、G3、G4磁通管连接，定子齿T122与转子齿P1之间通过G5、G6磁通管连接，定子齿T122与转子齿P10之间通过G7、G8磁通管连接，由于实际电机中G7和G8支路磁通量几乎为零，所以忽略G7和G8的影响。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：1)转子最优化齿宽以数学解析表达式表示，所需计算资源很少，计算量和计算耗费时间很少；2)采用转子齿宽最优化数值后，功率绕组反电动势幅值最大，从而最大程度降低了定子槽中功率绕组安匝数；3)采用转子齿宽最优化数值后，定子槽中悬浮绕组安匝数显著增大，从而显著增大了悬浮力的输出能力；4)采用转子齿宽最优化数值后，转子齿宽与定子齿宽之比明显增大，从而明显降低了悬浮力的脉动幅值。

附图说明

图1为典型三相悬浮绕组无轴承磁通切换电机结构图。

图2为不含有悬浮绕组的电机圆周方向部分展开图。

图3为本发明线圈A2下方气隙磁路分割图。

图4为齿宽比最大值随气隙长度变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种无轴承磁通切换电机转子齿宽快速设计方法，提供一三相悬浮绕组的无轴承磁通切换电机结构，其基本结构与三相磁通切换永磁电机相似，其定子由12个U型铁芯冲片构成，且相邻的两个U型铁芯冲片之间夹着一个永磁体，定子中间为转子，靠近定子外侧设有电枢绕组A、B、C，靠近定子内侧设有悬浮绕组a、b、c；该方法实现步骤如下，

步骤S1、根据磁通切换电机或交流电机设计理论，确定出定子齿宽，定子槽宽与定子齿宽相同；

步骤S2、根据转子允许的最大径向偏移，确定出气隙长度g₀；

步骤S3、利用磁路分割方法，建立δ等于9°时定、转子磁路分割图，其中δ为永磁体中心线与转子齿中心线偏移角度；具体实现过程如下，

设电枢绕组A的功率绕组线圈A2嵌套在2个U型铁芯冲片的定子齿T11和T122上，在δ等于9°时，将该部分定子和转子沿圆周方向展开，则其不含悬浮绕组部分的磁路可分割为G1～G8磁通管，其中，定子齿T11与转子齿P1之间通过G1、G2、G3、G4磁通管连接，定子齿T122与转子齿P1之间通过G5、G6磁通管连接，定子齿T122与转子齿P10之间通过G7、G8磁通管连接，由于实际电机中G7和G8支路磁通量几乎为零，所以忽略G7和G8的影响；

步骤S4、根据步骤S3的磁路分割，建立G1～G6各磁通管磁导数学模型：

其中，k_rs＝w_r/ws为定子齿宽比，w_s、w_r分别为定子和转子齿宽，μ₀表示空气磁导率，l_a表示铁心轴向长；

步骤S5、根据G1～G6各磁通管磁导数学模型，进一步建立总磁导G_g数学模型G_g＝f(w_s,w_r,g₀)：

G_g＝G₁+G₂+G₃+G₄-(G₅+G₆) (7)

步骤S6、根据总磁导G_g对转子齿宽w_r求微分等于零原理，推导最优的转子齿宽解析数学模型w_r＝f(w_s,g₀)：

步骤S7、将步骤S6转子齿宽值作为初始值，基于变结构磁路网络或有限元分析计算法进一步对转子齿宽进行优化。

以下为本发明的具体实现原理。

一种典型的三相悬浮绕组的无轴承磁通切换电机结构拓扑如图1所示，其基本结构与典型的三相磁通切换永磁电机相似，靠近定子外侧为电枢绕组，其绕组连接方式如图中A、B、C所示；靠近定子内侧为悬浮绕组，其连接方式如图中a、b、c所示。定义xy坐标系如图中所示。

把定子和转子沿圆周方向展开后，不含有悬浮绕组的部分展开图如图2所示。其中δ为永磁体中心线与转子齿中心线偏移角度。定子和转子齿宽分别为w_s、w_r，定子齿宽比k_rs＝w_r/w_s。功率绕组线圈A2嵌套在定子齿T11和T122上，通过T11和T122的磁通分别为φ11和φ122，磁力线方向相反，与A2耦合的总的磁通为φ。T11、T122与转子之间的总磁导分别为G_T11和G_T122。当φ11大于φ122时，为了实现A2反电动势幅值最大，要求耦合于A2线圈的总磁通φ幅值最大。显然只需要φ11最大，且φ122最小即可。在一定的磁动势情况下，磁通与磁导成正比。为此，要求G_T11最大，G_T122最小即可。从图2可见，当转子齿中心线与永磁体中心线重合，即偏移角δ等于0时，T11、T122与转子之间磁路完全对称，G_T11和G_T122相等，所以φ11和φ122方向相反，大小相等，从而导致与A2耦合的总磁通φ为零。根据交流电机中直、交轴磁路理论，当转子旋转使得δ等于9°时，对应电角度刚好为90°，A2耦合的总磁通φ最大，从而实现了A2线圈中反电动势幅值最大。所以，本发明为了实现功率绕组中反电动势幅值最大，从而最大程度减小功率绕组安匝数，优化转子齿宽w_r，使得δ等于9°转子位置处，总磁导G_g＝G_T11-G_T122最大。借助电机变结构磁路网路，建立总磁导G_g与转子齿宽w_r、定子齿宽w_s、电机气隙长度g₀之间的解析数学模型G_g＝f(w_s,w_r,g₀)。当总磁导G_g最大时，进一步建立转子齿宽w_r与定子齿宽w_s、电机气隙长度g₀之间的解析数学模型w_r＝f(w_s,g₀)。这样，把已知的定子齿宽w_s、电机气隙长度g₀代入w_r＝f(w_s,g₀)计算模块，即可快速输出转子齿宽的设计初始值。为了进一步减小转子齿宽的设计值误差，采用电机变结构磁网络或有限元分析方法，在上述转子齿宽的设计初始值附近，根据绕组反电动势幅值最大，绕组耦合磁链φ最大原则，进一步搜索，最终获得一个转子齿宽的最优设计值。

本发明是在已知定子齿宽情况下，优化转子齿宽。在已知定子齿宽时，由于齿宽比是转子齿宽与定子齿宽之比，所以设计转子齿宽与设计齿宽比是一样的。在设计出齿宽比后，转子齿宽等于齿宽比乘以定子齿宽。在无轴承磁通切换电机中，转子与定子齿宽比k_rs是一个对电机性能影响很重要的参数：(1)直接影响功率绕组中感应磁链幅值及反电动势幅值，从而影响电机负载能力，其值越大，转矩越大；(2)影响着定、转子齿的磁通密度，即转子悬浮力产生的偏置磁场大小，从而影响电机转子的悬浮能力，其值越大，悬浮力均值越大；(3)k_rs大小直接决定着转子开槽大小，其值越大，悬浮力脉动越小。所以快速找到产生最大反电动势时的k_rs的最大值k_rsmax对于提高电机转矩密度和悬浮力、降低悬浮力脉动尤为重要。

传统的机械轴承支撑磁通切换电机齿宽比优化值为1.2。与传统的机械轴承支撑磁通切换电机不同之处在于，BFSPMM漏磁严重，导致齿宽比k_rs大于1.2以后，BFSPMM电机反电动势畸变不严重，经过变结构磁路网络分析及有限元分析获知，当k_rs在1.6-2.4范围某个点绕组反电动势幅值最大。若忽略构成相绕组的4个线圈反电动势细微差别时，图1功率线圈A2下方气隙磁路分割如图3所示。线圈A2中磁通Φ是通过定子齿T11磁通Φ11和T122磁通Φ122之和，且Φ11和Φ122方向相反、Φ122远小于Φ11。T11与转子齿P1之间通过G1、G2、G3、G4磁通管连接，T122与P1之间通过G5、G6磁通管连接，T122与转子齿P10之间通过G7、G8磁通管连接。

实际电机中G7和G8支路磁通量几乎为零，所以忽略G7和G8的影响，G1-G6各部分的气隙磁导推导如下。其中，w_s为定子齿宽，g₀为无偏心时气隙宽度，μ₀表示空气磁导率，l_a表示铁心轴向长。

定义T11-P1-T122回路总的气隙磁导G_g如下：

G_g＝G₁+G₂+G₃+G₄-(G₅+G₆) (7)

显然：(1)气隙总磁导是齿宽比的函数；(2)当线圈A2中耦合磁链及反电动势最大时，该气隙总磁导最大。

当G_g取最大时，满足如下条件：

求解式(8)得到产生最大反电动势时的齿宽比k_rsmax如下：

其中，

这样，在已知定子齿宽w_s、无偏心气隙长度g₀，根据式(9)即可快速确定出满足最大转矩和悬浮力时的齿宽比，从而确定出转子齿宽的最优值w_r如下：

本发明工作过程包括如下步骤：

(1)根据现有的磁通切换电机或交流电机设计理论，确定出定子齿宽，定子槽宽与定子齿宽相同；

(2)根据转子允许的最大径向偏移，确定出气隙长度g₀；

(3)利用磁路分割方法，建立如图3所示的δ等于9°时定、转子磁路分割图；

(4)根据图3磁路分割，建立G1～G6各磁通管磁导数学模型：

(5)根据G1～G6各磁通管磁导数学模型，进一步建立总磁导G_g数学模型G_g＝f(w_s,w_r,g₀)：

G_g＝G₁+G₂+G₃+G₄-(G₅+G₆) (7)

(6)根据总磁导G_g对转子齿宽w_r求微分等于零原理，推导最优的转子齿宽解析数学模型w_r＝f(w_s,g₀)：

(7)把步骤(6)转子齿宽值作为初始值，基于变结构磁路网络或有限元分析计算法进一步对转子齿宽进行优化。

有效性验证：

当电机气隙长度变化后，采用有限元分析最优转子齿宽和利用本发明提出的最优转子齿宽分别与定子齿宽之比计算结果比较如图4所示，可见，随着气隙长度的变化，本发明快速计算出的最优转子齿宽非常接近于有限元计算结果，最大误差占有限元分析结果的9.3％，并且随气隙的增大，误差越来越小。证明了，本发明提出的转子齿宽快速设计方法是有效的。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无轴承磁通切换电机转子齿宽快速设计方法，提供一三相悬浮绕组的无轴承磁通切换电机结构，其定子由12个U型铁芯冲片构成，且相邻的两个U型铁芯冲片之间夹着一个永磁体，定子中间为转子，靠近定子外侧设有电枢绕组A、B、C，靠近定子内侧设有悬浮绕组a、b、c；其特征在于：该方法实现步骤如下，

步骤S1、根据磁通切换电机或交流电机设计理论，确定出定子齿宽，定子槽宽与定子齿宽相同；

步骤S2、根据转子允许的最大径向偏移，确定出气隙长度g₀；

步骤S3、利用磁路分割方法，建立δ等于9°时定、转子磁路分割图，其中δ为永磁体中心线与转子齿中心线偏移角度；

步骤S4、根据步骤S3的磁路分割，建立G1～G6各磁通管磁导数学模型：

其中，k_rs＝w_r/w_s为定子齿宽比，w_s、w_r分别为定子和转子齿宽，μ₀表示空气磁导率，l_a表示铁心轴向长；

步骤S5、根据G1～G6各磁通管磁导数学模型，进一步建立总磁导G_g数学模型G_g＝f(w_s,w_r,g₀)：

G_g＝G₁+G₂+G₃+G₄-(G₅+G₆) (7)

步骤S6、根据总磁导G_g对转子齿宽w_r求微分等于零原理，推导最优的转子齿宽解析数学模型w_r＝f(w_s,g₀)：

步骤S7、将步骤S6转子齿宽值作为初始值，基于变结构磁路网络或有限元分析计算法进一步对转子齿宽进行优化。

2.根据权利要求1所述的一种无轴承磁通切换电机转子齿宽快速设计方法，其特征在于：所述步骤S3中，利用磁路分割方法，建立δ等于9°时定、转子磁路分割图的具体实现过程如下，

设电枢绕组A的功率绕组线圈A2嵌套在2个U型铁芯冲片的定子齿T11和T122上，在δ等于9°时，将该部分定子和转子沿圆周方向展开，则其不含悬浮绕组部分的磁路可分割为G1～G8磁通管，其中，定子齿T11与转子齿P1之间通过G1、G2、G3、G4磁通管连接，定子齿T122与转子齿P1之间通过G5、G6磁通管连接，定子齿T122与转子齿P10之间通过G7、G8磁通管连接，由于实际电机中G7和G8支路磁通量几乎为零，所以忽略G7和G8的影响。