组合式无刷直流永磁磁通切换电机及其轴向比例计算方法.pdf

本发明公开了一种组合式无刷直流永磁磁通切换电机，包括第一电机、第二电机，所述第一电机、第二电机均包括定子、转子，第一电机的定子齿与第二电机的定子齿一一对应成对设置，每对定子齿上的两个定子励磁源的励磁方向为相同或相反，且每一对定子齿共用一个定子绕组，第二电机的转子齿数为第一电机的转子齿数的3倍，第一电机的第一个转子齿与第二电机的第一个转子齿之间具有偏移角。该发明增加了电机的弱磁电感值，减小了弱磁电流，提高了电机的恒功率区域运行能力。采用本发明的组合模式以及轴向长度确定方法能够实现电机同时具有空载方波反电势、大弱磁电感和宽转速运行范围，适合无刷直流运行模式和在全速变负载范围内实现无速度传感器技术。

权利要求书1.  组合式无刷直流永磁磁通切换电机，包括第一电机、第二电机，所述第一电机、第二电机均包括定子、转子，第一电机与第二电机之间设置隔磁材料，第一电机与第二电机的定子外径及定子齿数均相同，第一电机的定子齿与第二电机的定子齿一一对应成对设置，每对定子齿上的两个定子励磁源的励磁方向为相同或相反，且每一对定子齿共用一个定子绕组，其特征在于：所述第二电机的转子齿数为第一电机的转子齿数的3倍，第一电机的第一个转子齿与第二电机的第一个转子齿之间具有偏移角。2.  根据权利要求1所述的组合式无刷直流永磁磁通切换电机，其特征在于：所述偏移角θ为：其中m为正整数，n为第二电机的转子齿数。3.  根据权利要求2所述的组合式无刷直流永磁磁通切换电机，其特征在于：所述每对定子齿上的两个定子励磁源的励磁方向相同时，m为偶数；所述每对定子齿上的两个定子励磁源的励磁方向相反时，m为奇数。4.  基于权利要求1所述组合式无刷直流永磁磁通切换电机的轴向比例计算方法，其特征在于：所述组合式无刷直流永磁磁通切换电机的轴向长度为：L＝L1+L2，其中，L1为第一电机的轴向长度，L2为第二电机的轴向长度，L1和L2的比例计算采用如下公式：其中，Ψ1为第一电机轴向为k长度处一相电枢绕组的永磁磁链幅值，Ψ2为第二电机轴向为k长度处一相电枢绕组的永磁磁链幅值。5.  根据权利要求4所述的组合式无刷直流永磁磁通切换电机的轴向比例计算方法，其特征在于：k为1米。

说明书组合式无刷直流永磁磁通切换电机及其轴向比例计算方法
技术领域
本发明属于永磁电机领域，具体涉及一种组合式无刷直流永磁磁通切换电机及其轴向比例计算方法。
背景技术
永磁电机具有效率高、转矩密度高、功率密度高的优点，广泛应用于国防、交通、运输、新能源等领域。
按照永磁体放置的位置来区分，永磁电机一般分为转子永磁式电机和定子永磁式电机。三种经典的定子永磁式电机为磁通翻转永磁电机、双凸极永磁电机、磁通切换永磁电机，其中，磁通翻转永磁电机的电枢磁场与永磁磁场为串联关系，永磁体存在退磁风险。在双凸极永磁电机、磁通切换永磁电机这两种电机中，电枢磁场与永磁磁场为并联关系，电枢磁场不经过永磁体，永磁体退磁风险小，具有较高的可靠性，而与双凸极永磁电机相比，除了具有高正弦度的永磁磁链和空载反电势，磁通切换永磁电机实现了永磁磁链的双极性翻转，提高了电机的铁磁材料利用率和转矩密度。
对于转子永磁式电机，按照其空载反电势的波形不同分为永磁同步电机(空载反电势的波形为正弦波形)和无刷直流电机(空载反电势的波形为120度方波波形)。与永磁同步电机相比，无刷直流电机的优点如下：
1、电机结构简单，永磁体加工工艺简单；
2、一般采用集中式定子绕组结构，绕组端部短，端部铜耗小；
3、电机工作在高速时，可以采用60度换向控制，对开关管的频率要求不高；
4、无刷直流电机在调速过程中无需360的转子位置信息，只需要6个特殊位置点即可实现换向；
5、一般的，无刷直流电机稳态工作时，电枢电流为断续，只要在本体设计上保证电枢电流续流区域不把反电势过零点淹没，可以采用经典的“反电势过零点”无速度传感器技术来实现位置检测；同时采用经典的三次谐波法可以实现电机在负载条件下的无速度传感器技术。
但是，由于无刷直流电机属于转子永磁式电机，永磁式置于转子上，电枢磁场经过永磁体，永磁体有退磁危险。同时，由于电枢磁场经过永磁体，电枢磁场的磁路磁阻大，电机电 感相对较小，电机弱磁能力差，转速运行范围窄。
如何研究一种转速范围宽、弱磁能力强、可靠性高、永磁体放置在定子上的无刷直流电机是永磁电机里领域的一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种组合式无刷直流永磁磁通切换电机，解决了现有技术中无刷直流电机弱磁能力差、转速范围窄的问题。
本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：
组合式无刷直流永磁磁通切换电机，包括第一电机、第二电机，所述第一电机、第二电机均包括定子、转子，第一电机与第二电机之间设置隔磁材料，第一电机与第二电机的定子外径及定子齿数均相同，第一电机的定子齿与第二电机的定子齿一一对应成对设置，每对定子齿上的两个定子励磁源的励磁方向为相同或相反，且每一对定子齿共用一个定子绕组，所述第二电机的转子齿数为第一电机的转子齿数的3倍，第一电机的第一个转子齿与第二电机的第一个转子齿之间具有偏移角。
所述偏移角θ为：
其中m为正整数，n为第二电机的转子齿数。
所述每对定子齿上的两个定子励磁源的励磁方向相同时，m为偶数；所述每对定子齿上的两个定子励磁源的励磁方向相反时，m为奇数。
为了进一步解决现有技术中磁通切换型电机反电势波形为正弦波形、不适合运行在无刷直流模式、不易实现全速变负载条件下的问题,本发明还提供一种组合式无刷直流永磁磁通切换电机的轴向比例计算方法，该方法采用如下技术方案：
所述组合式无刷直流永磁磁通切换电机的轴向长度为：
L＝L1+L2，其中，L1为第一电机的轴向长度，L2为第二电机的轴向长度，L1和L2的比例计算采用如下公式：
其中，Ψ1为第一电机轴向为k长度处一相电枢绕组的永磁磁链幅值，Ψ2为第二电机轴向为k长度处一相电枢绕组的永磁磁链幅值。
进一步的，为了计算简单，准确，k为1米。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过设定两部分永磁磁通切换电机的转子齿数比例，转子齿几何轴线相对位置以及两部分轴向长度比例，使得组合式无刷直流永磁磁通切换电机具有120方波的空载反电势波形，同时多齿容错电机结构具有的低磁阻磁路增加了电机的弱磁电感值，减小了弱磁电流，提高了电机的恒功率区域运行能力。
2、本发明保持了无刷直流电机控制简单、易于实现无速度传感器技术、功率变换器开关频率低和永磁磁通切换电机永磁体不受离心力、退磁风险小、转子结构简单的优点，利用相同定子极数、不同转子齿数的两部分电机进行轴向组合并优化其轴向长度比例，使得永磁磁通切换电机同时具有空载方波反电势(适合无刷直流运行模式)、大弱磁电感和宽转速运行范围。
3、本发明组合式无刷直流永磁磁通切换电机及其轴向长度确定方法不仅适用于6/21多齿容错永磁磁通切换电机和6/7E型铁芯永磁磁通切换电机的组合，对于任意两台工作在无刷交流模式的永磁磁通切换电机，只要满足转子齿数为1：3的关系，均可采用本发明的组合模式以及轴向长度确定方法来实现电机同时具有空载方波反电势(适合无刷直流运行模式)、大弱磁电感和宽转速运行范围。
附图说明
图1为本发明组合式无刷直流永磁磁通切换电机的第一电机的定子和转子。
图2为本发明组合式无刷直流永磁磁通切换电机的第二电机的定子和转子。
图3为本发明组合式无刷直流永磁磁通切换电机整体结构示意图。
图4为本发明组合式无刷直流永磁磁通切换电机第一电机的第一个转子齿与第二电机的第一个转子齿之间偏移角的示意图。
图5是本发明第一电机空载反电势、第二电机空载反电势和组合式无刷直流永磁磁通切换电机空载反电势。
图6是转矩-转速曲线，其中，实心黑点曲线为组合式无刷直流永磁磁通切换电机的曲线，空心黑圈曲线为转子永磁式无刷直流电机的曲线。
图7为本发明的组合模式二的6/5C型铁芯永磁磁通切换电机示意图。
图8为本发明的组合模式二的6/15多齿容错永磁磁通切换电机示意图。
图9为本发明的组合模式三的6/8C型铁芯永磁磁通切换电机示意图。
图10为本发明的组合模式三的6/24多齿容错永磁磁通切换电机示意图。
其中，图中的标识：1-第一永磁体；2-第一电机的定子齿；3-第一电机的第一转子齿； 4-第二永磁体；5-第二电机的定子齿；6-第二电机的第一转子齿；7-第一电机定子；8-定子绕组；9-第一电机转子；10-第二电机定子；11-第二电机转子；12-第一电机的第一转子齿与第二电机的第一转子齿的偏移角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
组合式无刷直流永磁磁通切换电机，包括第一电机、第二电机，所述第一电机、第二电机均包括定子、转子，分别为第一电机定子7、第一电机转子9、第二电机定子10、第二电机转子11，第一电机与第二电机之间设置隔磁材料，第一电机定子7与第二电机的定子10的外径及定子齿数均相同，第一电机的定子齿2与第二电机的定子齿5一一对应成对设置，每对定子齿上的两个定子励磁源的励磁方向为相同或相反，且每一对定子齿共用一个定子绕组8，所述第二电机的转子齿数为第一电机的转子齿数的3倍，第一电机的第一转子齿3与第二电机的第一转子齿6之间具有偏移角12。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，第一电机的一个定子齿和第二电机的一个定子齿组成一个组合，共用一套定子绕组，每一个定子齿组合均共用一套定子绕组，第一电机的定子为“E”型铁芯结构，第二电机的定子为多齿容错铁芯结构，第一电机的相邻两个定子齿之间设置第一永磁体1，第二电机的相邻两个定子齿之间设置第二永磁体4。
实施例一，以第一电机的定子铁芯和第二电机的定子铁芯均是6齿结构，第一转子齿数为7，第二转子齿数为21为例来进一步说明本发明的技术方案：
第一电机的定子与第二电机的定子相同定子齿上励磁源的励磁方向可以相同或相反，第一电机和第二电机之间用隔磁材料间隔；第一电机转子的第一转子齿与第二电机转子的第一转子齿间错开一个转子偏移角，偏移角度为的整数倍。
所述的组合式无刷直流永磁磁通切换电机，如果第一电机的定子与第二电机的定子相同定子齿上励磁源的励磁方向相同，那么第一电机转子的第一转子齿与第二电机转子的第一转子齿间错开的偏移机械角度为：
(m为偶数)
如果第一电机的定子与第二电机的定子相同定子齿上励磁源的励磁方向相反，那么第一电机转子的第一电机转子齿与第二转子的第一转子齿间错开的偏移机械角度为：
(m为奇数)
所述组合式无刷直流永磁磁通切换电机的轴向比例计算方法，其具体的计算过程如下：
步骤A，根据电机的结构，得到第一段电机轴向长度为1m时电机一相电枢绕组的永磁磁链，表达式如下：
ψ1＝Ψ1sin(7ωt)
其中，ψ1为第一电机轴向长度为1m时一相电枢绕组的永磁磁链瞬时值，Ψ1为第一电机轴向长度为1m一相电枢绕组的永磁磁链幅值，该值通过测量获得，ω是电机的机械角速度，t为电机旋转时间；
步骤B，根据电机的结构，得到第二电机轴向长度为1m时电机一相电枢绕组的永磁磁链，表达式如下：
ψ2＝-Ψ2sin(21ωt)
其中，ψ2为第二电机轴向长度为1m一相电枢绕组的永磁磁链瞬时值，Ψ2为第二电机轴向长度为1m一相电枢绕组的永磁磁链幅值，该值通过测量获得，ω是电机的机械角速度，t为电机旋转时间；
步骤C，根据ψ1＝Ψ1sin(7ωt)，求得第一电机一相电枢绕组的空载反电势瞬时值，表达式如下：
e1＝7ωΨ1cos(7ωt)
其中，e1为第一电机轴向长度为1m一相电枢绕组的空载反电势瞬时值；
步骤D，根据ψ2＝-Ψ2sin(21ωt)，求得第二电机轴向长度为1m一相电枢绕组的空载反电势瞬时值，表达式如下：
e2＝-21ωΨ2cos(21ωt)
其中，e1为第二电机轴向长度为1m一相电枢绕组的空载反电势瞬时值；
步骤E，组合式无刷直流永磁磁通切换电机的轴向长度为：
L＝L1+L2
其中，L1为组合式无刷直流永磁磁通切换电机第一电机的轴向长度，L2为组合式无刷直流永磁磁通切换电机第二电机的轴向长度，L1和L2的比例如下式所示：
L1L2=9Ψ2Ψ1]]>
由图5和图6可见采用上述方案后有以下效果：
1、通过设定两部分永磁磁通切换电机的转子齿数比例，转子齿几何轴线相对位置以及两部分轴向长度比例，使得组合式无刷直流永磁磁通切换电机具有120方波的空载反电势波形，如图5所示，适合运行在无刷交流模式，易于在全速及变负载条件下实现无速度传感器技术。
2、多齿容错电机结构具有的低磁阻磁路增加了电机的弱磁电感值，减小了弱磁电流，提高了电机的恒功率区域运行能力，如图6所示。
需要说明的是，本发明组合式无刷直流永磁磁通切换电机及其轴向长度确定方法不仅适用于上述发明内容所述的6/21多齿容错永磁磁通切换电机和6/7E型铁芯永磁磁通切换电机的组合，对于任意两台工作在无刷交流模式的永磁磁通切换电机，只要满足定子齿数为1：3的关系，均可采用本发明的组合模式以及轴向长度确定方法来实现电机同时具有空载方波反电势(适合无刷直流运行模式)、大弱磁电感和宽转速运行范围。
不是一般性，本发明的组合模式还可以如下：
实施例二，6/5C型铁芯永磁磁通切换电机和6/15多齿容错永磁磁通切换电机。其中，6/5C型铁芯永磁磁通切换电机如图7所示，6/15多齿容错永磁磁通切换电机如图8所示。图7和图8
实施例三，6/8C型铁芯永磁磁通切换电机和6/24多齿容错永磁磁通切换电机。其中，6/8C型铁芯永磁磁通切换电机如图9所示，6/24多齿容错永磁磁通切换电机如图10所示。