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

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

轴向磁通电机作为一种高效可靠的电机类型，在工业、交通、航空航天和能源等多个领域具有广泛的应用前景。然而，现有的轴向磁通电机在转矩密度和转矩脉动方面仍存在不足。本文介绍了一种新型的轴向分层海尔贝克阵列轴向磁通电机及其解析方法，通过优化磁极结构和解析方法，有效提高了电机的性能。

背景技术

1. 轴向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. 现有技术中已有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，但本发明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；且本发明对已有专利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. 本发明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问题，以及解析方法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。

2. 电机结构主要包括：

• 同轴分布的两个定子和一个转子，转子位于两个定子之间
• 每个定子朝向转子的一面设有多个等间距均匀分布的定子槽
• 转子每个轴向端面紧贴放置有海尔贝克磁极阵列
• 每个磁极由五段扇形永磁体组成，包括中间永磁体、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和逆时针侧下层永磁体
• 每个磁极组的磁通路径形成闭合回路

3. 解析方法主要包括：

• 采用精确子域模型法，将电机区域划分为四个环形圆柱子域
• 计算各子域的磁化强度分量系数并进行奇偶延拓
• 建立泊松方程和拉普拉斯方程并求解标量磁位通解表达式
• 根据安培环路定律和磁通连续性原理求解未知系数
• 考虑有槽对电机性能的影响，引入卡特系数计算等效气隙
• 根据电磁感应定律计算反电动势及电磁转矩

与现有技术相比，本发明的优点

• 采用五段环向排列、轴向分层的海尔贝克磁极阵列，优化了磁化角和跨角
• 在保证单位体积内剩余磁化强度相同的情况下，具有更大的转矩密度和更小的转矩脉动
• 解决了现有三维解析方法无法解析轴向分层结构的问题

技术特征

1. 电机结构特征：

• 双定子单转子布局
• 转子与每个定子之间设有磁极阵列
• 每个磁极包含五段扇形永磁体
• 磁化角度和跨角的具体参数

2. 解析方法特征：

• 四个子域划分
• 磁化强度分量的奇偶延拓
• 基于泊松方程和拉普拉斯方程的标量磁位求解
• 引入卡特系数计算等效气隙
• 电磁感应定律计算反电动势及电磁转矩

技术总结

本发明公开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，通过优化磁极结构和解析方法，有效提高了电机的性能。电机结构为双定子单转子，转子与每个定子之间均设有磁极阵列，磁极阵列包含多个磁极；解析方法中首先划分为四个子域，分别给出不同子域的磁化强度分量，并进行奇延拓和偶延拓，建立总磁化强度的轴向和周向的双重傅里叶分解表达式；其次根据泊松方程和拉普拉斯方程，采用分离变量法计算每个子域标量磁位的通解表达式；然后求解得到标量磁位中的未知系数，基于磁场强度和磁通密度与标量磁位之间的关系，并引入卡特系数计算等效气隙作为实际有效气隙，计算得到磁场强度，最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。