一种表嵌永磁式双定子混合励磁电机及其设计分析方法、气隙磁场谐波的性能优化方法

本发明涉及到双定子混合励磁电机设计和优化方法，属于电机设计领域，具体适用于船舶推进，风力发电航空航天、机器人和电动汽车等要求高转矩高可靠性的电机系统。

背景技术：

1、随着国家工控行业技术的不断发展，永磁电机因其具有高转矩密度、高效率、高功率密度等特性在风力发电、航空航天、伺服控制、电动汽车等领域获得了广泛的应用。相较于传统的减速器以及齿轮驱动的方式，永磁电机可以直接应用于直接驱动的场合，摒弃了减速器和齿轮箱等工具，在提升系统可靠性的同时还降低了维护成本，受到了企业的广泛追捧。但是，由于永磁电机无法调节其恒定的磁场，在多工况运行的场合应用受限。因此，混合励磁电机被提出用于解决磁场调节受限的问题。通过施加不同的励磁电流，混合励磁电机可以实现高转矩密度运行以及高速运行的不同需求。

2、中国发明专利申请号202210013863.7公开了一种新型混合励磁双凸极电机，所述电机的永磁体、电枢绕组以及励磁绕组都位于定子上，励磁磁场磁路必定会经过定子轭部的永磁体形成闭合回路，导致了励磁磁场磁路的磁阻的增加，同时还降低了电机的励磁磁密、输出转矩和调磁能力等性能，提升了永磁体退磁的风险；另外，电枢绕组与励磁绕组存在空间上的竞争，限制了电机转矩的提升。

3、中国发明专利申请号202010459359.0公开了一种永磁电机多目标优化的参数化等效磁网络建模方法。通过划分内磁力线的无序区域与规律区域，构建无序区域的动态网格模型，构建有序区域的磁路模型，将动态网格模型和磁路模型连接起来，即可构建电机的磁网络模型，后续能够求解出相应各节点磁位，获得转矩特性。然后利用电机的磁网络模型对平均转矩以及转矩脉动进行灵敏度分析，筛选出高敏感度参数，构建平均转矩以及转矩脉动的响应面模型，并用多目标优化算法对其进行优化。此方法大大提升了电机等效模型的精确性，但在优化过程中并未考虑到气隙磁场谐波的影响。根据磁场调制原理，每一个设计参数的细微变化都会对气隙磁场谐波甚至电磁性能产生影响，因此在优化过程中，气隙磁场谐波也应该被兼顾考虑到，而不应该将其忽略。

技术实现思路

1、本发明的目的是，针对传统的混合励磁电机设计方法上存在的不足，提出一种表嵌永磁式双定子混合励磁电机及其优化设计方法。引入双定子、表嵌式永磁体结构，克服电枢绕组、励磁绕组之间的空间冲突，构建并联磁路，减少永磁体之间的极间漏磁同时降低了励磁磁场磁路的磁阻，提升了电机的转矩、调磁能力，确立了极槽配合挑选原则，根据电机结构及永磁磁场、励磁磁场磁路分布，构建等效气隙模型，建立基于等效气隙原理的性能分析方法，推导磁动势和调制算子的解析式，计算气隙磁密、反电势，分析气隙磁场谐波对于反电势的贡献，根据气隙磁场谐波分析，建立基于气隙磁场谐波的性能优化方法，实现电机性能的优化。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种表嵌永磁式双定子混合励磁电机，该电机包括外定子(1)、转子(2)、内定子(3)、电枢绕组(4)、励磁绕组(5)；电枢绕组(4)、励磁绕组(5)分别缠绕于外定子(1)和内定子(3)上，外气隙位于外定子(1)和转子(2)之间，内气隙位于内定子(3)和转子(2)之间；所述外定子(1)齿采用梯形极靴，槽型采用近似于梨形槽；所述转子(2)由多个相互断开的凸极构成，每个凸极的内外侧弧度不同，相邻凸极中间为非导磁区域，通过在非导磁区域中填充环氧树脂，将相互断开的凸极连成一个整体；每个内定子(3)齿端部开了n-1个圆弧形槽，每个圆弧形槽的内外侧弧度皆相同，形成了n个大小不等的调制极(7)，构成多调制极设计；槽内嵌入了充磁方向为指向气隙或远离气隙的永磁体(6)，同一定子齿上的n-1个永磁体(6)的充磁方向相同，相邻定子齿上的n-1个永磁体(6)充磁方向相反，构成表嵌式永磁体结构；所述电枢绕组(4)与励磁绕组(5)均为双层分数槽集中绕组，电枢绕组(4)连接方式为正向串接，励磁绕组(5)连接方式为反向串接；通过双定子结构，克服电枢绕组及励磁绕组之间的空间冲突，增加了外定子槽面积，提升了电负荷，有效提升了电机的转矩。通过表嵌式永磁体设计，构造了并联磁路，提升了电机的调磁能力

3、进一步，所述外定子(1)和内定子(3)齿数均为ns，内外定子齿的中心线相差π/ns的角度差，转子(2)凸极数与内外定子齿数存在以下关系：

4、nr＝nns±q(1≤q≤3,1≤n≤4)

5、式中，nr代表转子极数，n代表每个内定子齿端部的调制极个数，ns代表内定子(外定子)齿数，同时ns＝cz，c为相数，q、z为正整数。

6、本发明的一种表嵌永磁式双定子混合励磁电机设计分析方法，具体步骤如下：

7、步骤1：在仅考虑永磁磁场或者励磁绕组磁场的情况下，根据定转子齿槽结构、永磁磁场磁路及励磁绕组磁场磁路，推导与外气隙永磁磁动势及励磁绕组磁动势相关的分布函数kos(θ)，kr(θ,t)，在外气隙圆周方向上外定子齿与转子凸极相互重合的区域即为外气隙磁动势主要分布范围，磁动势分布函数为kos(θ)kr(θ,t)；

8、步骤2：将外气隙磁动势分布函数分别与永磁绕组磁动势幅值fpm、励磁绕组磁动势幅值ffw相乘，得到永磁磁动势f1(θ,t)、励磁绕组磁动势f2(θ,t)；

9、步骤3：在仅考虑永磁磁场或者励磁绕组磁场的情况下，分析外定子槽、转子槽内的理想化磁路，虽然永磁磁场、励磁绕组磁场磁路不同，但它们在经过转子槽及外定子槽时路径是重叠的，故两种情况下的理想化磁路是相同的，可以做如下假设：外定子槽可视为一个无限深槽，槽内理想化磁路可等效为从外定子槽口引出的并联曲线τos1、τos2；由于转子厚度有限，转子槽内理想化磁路则等效为从转子外侧槽口引出的并联曲线τor1、τor2、τor3；根据上述分析，推导出外定子调制算子mos、转子的调制算子mor；

10、步骤4：在仅考虑永磁磁场的情况下，内定子槽内理想化磁路可被等效一条贯穿永磁体的直线，然后根据磁路分析推导出内定子调制算子在仅考虑励磁绕组磁场的情况下，内定子上的永磁体应被视为空气，其槽内理想化磁路可等效为从永磁体槽口引出的并联曲线τis1、τis2、τis3，然后根据磁路分推导内定子调制算子

11、步骤5：将永磁磁动势f1(θ,t)、励磁绕组磁动势f2(θ,t)分别与对应的调制算子、气隙磁导μ0/g相乘，计算出永磁气隙磁密bpm、励磁绕组气隙磁密bfw，并推导出永磁磁场谐波阶次paw、励磁绕组磁场谐波阶次pdc；

12、步骤6：根据永磁气隙磁密、励磁绕组气隙磁密，计算本发明在永磁磁场单独作用下的反电势epm、在励磁绕组磁场单独作用下的反电势efw、增磁模式下的反电势efe。

13、进一步，步骤1中与永磁磁动势及励磁绕组磁动势相关的分布函数kos(θ)、kr(θ，t)的表达式为：

14、

15、

16、式中，nr代表转子极数，kos(θ)为与外定子设计参数相关的函数，kr(θ，t)为与转子设计参数相关的函数，k1、k2为正整数，k1∈[0，nos-1]，k2∈[0，nr-1]，nos为外定子齿数，θos为外定子齿弧度，θro为转子凸极外侧弧度，ωr为机械角速度，t为时间，θ为转子位置角。

17、进一步，步骤2中永磁磁动势幅值fpm、励磁绕组磁动势ffw幅值的表达式为：

18、

19、式中，br为剩磁，hpm为永磁体厚度，μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率，ndc为励磁绕组匝数，idc为励磁电流；

20、永磁磁动势f1(θ,t)及励磁绕组磁动势f2(θ,t)表达式为：

21、

22、进一步，步骤3中外定子调制算子mos、转子调制算子mor为：

23、

24、式中，τos1、τos2为外定子槽内的理想化磁路，τor1、τor2、τor3为转子槽内的理想化磁路，g为气隙长度。

25、进一步，对步骤4中的调制算子做如下定义：调制算子代表的是定转子齿、凸极对于磁动势的调制行为，永磁磁场单独作用时的内定子调制算子模型励磁绕组磁场单独作用下的内定子调制算子的表达式分别为：

26、

27、式中，τis1、τis2、τis3为内定子永磁体槽内的理想化磁路(仅励磁绕组磁场单独作用)，hpm为永磁体厚度，μr为相对磁导率。

28、进一步，在步骤5中，当永磁磁场单独作用时，永磁磁场气隙磁密bpm及其关键气隙磁场谐波阶次paw为：

29、

30、其中，i、j为整数，ppm为永磁体极对数；

31、当励磁绕组磁场单独作用时，励磁绕组磁场气隙磁密bfw及其关键气隙磁场谐波阶次pdc为：

32、

33、其中，x、y为整数，pfw为励磁绕组极对数。

34、进一步，步骤6中永磁磁场单独作用时的反电势epm、励磁绕组磁场单独作用时的反电势efw及增磁模式下的反电势efe表达式为：

35、

36、其中，nac为每相绕组的匝数，rg为气隙半径，la电机轴长，ωr为机械角速度，gi,j，gx,y均为调制比，kw为绕组因数，bi，j为永磁磁场谐波的幅值，bx,y为励磁绕组磁场谐波幅值。

37、本发明的一种表嵌永磁式双定子混合励磁电机的气隙磁场谐波的性能优化方法，具体步骤如下：

38、步骤a：将电机在永磁模式下的反电势ρpm、增磁模式下的反电势ρfe和调磁能力γ等作为优化目标；基于反电势的表达式，分析气隙磁场谐波对于反电势的贡献度，气隙磁场谐波对于反电势的贡献度主要取决于电机的调制比，气隙磁场谐波的调制比越大，对于反电势的贡献就越大；由于o1、o2阶气隙磁场谐波为调制比最大的前两个气隙磁场谐波，对于反电势的影响极大，故以o1、o2阶气隙磁场谐波为基础，搭建各个优化目标的数学模型，确定设计参数及其范围；

39、步骤a中优化目标的数学模型为：

40、

41、

42、其中，ρfe(xm)、γ(xm)分别代表表嵌式永磁式双定子混合励磁电机在增磁模式下的反电势及调磁能力，xm为设计参数，λ1、λ2为权重系数，o1、o2为调制比最大的前两个气隙磁场谐波阶次，分别为永磁模型和增磁模式下的o1阶气隙磁场谐波幅值，分别为永磁模式、增磁模式下的o2阶气隙磁场谐波幅值；

43、目标函数可以归结为一个非线性两目标问题，表达式t(xm)如下：

44、t(xm)＝max{ρfe(xm),γ(xm)}

45、步骤b：计算所有的设计参数对于气隙磁场谐波的敏感度s(xm)，将敏感度最高的前两个设计参数q1、q2挑选出来，建立o1、o2阶气隙磁场谐波的二阶响应面模型，通过算法对气隙磁场谐波进行优化，导出模拟实验点分布数据；

46、敏感度指数s(xm)及气隙磁场谐波的二阶响应面模型w的表达式为：

47、

48、

49、其中，xm为设计参数，f(xm)为目标函数的值，e(f(xm)/xm)为当xm为定值时f(xm)的平均数，v(e(f(xm)/xm))为e(f(xm)/xm)的方差，v(f(xm))为f(xm)的方差，q1、q2为敏感度最大的前两个设计参数，β0、β1、β2、β11、β12、β22为系数；

50、步骤c：根据气隙磁场谐波优化所得实验点数据，计算各优化目标数学模型的结果，建立表示各优化目标之间数学关系的帕累托前沿，挑选出最佳电机模型。

51、有益效果：

52、本发明采用上述设计方案后，可以具备如下有益效果：

53、1.本发明电机采用双定子设计，将电枢绕组和励磁绕组分别放置于外定子和内定子上，克服了电枢绕组与励磁绕组之间的空间冲突，增加了外定子槽面积、电负荷，提升了电机的转矩密度。

54、2.通过表嵌式永磁体设计，构造特殊的并联磁路，励磁磁路不会经过永磁体形成闭合回路，降低了励磁磁场磁路的磁阻，同时缓解了永磁体之间的极间漏磁，提升了电机的转矩和调磁能力。

55、3.为了提升电机性能，本发明提出了一种基于气隙磁场谐波的性能优化方法。首先，把增磁模式的反电势、永磁模式的反电势、调磁能力等作为优化目标，用o1、o2阶气隙磁场谐波来表示优化目标；然后，通过敏感性分析，建立气隙磁场谐波的响应面模型并对其优化；最后，根据实验点数据，建立帕累托前沿，实现性能的优化。与优化前相比，增磁模式、永磁模式下的o1、o2阶气隙磁场波提升了，而且永磁模式的反电势以及增磁模式的反电势也提升了。