[發明專利]基于等效磁路法的永磁球形電機齒槽轉矩分析方法

在審

• 申請號: 201911097266.1
• 申請日: 2019-11-11
• 公開（公告）號: CN110955960A
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 李斌;計鵬麗;李桂丹
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種基于等效磁路法的永磁球形電機齒槽轉矩分析方法，包括下列步驟：計算單根磁通管產生的氣隙磁密；計算磁通管對定子齒產生的齒槽轉矩；單一磁極對定子齒產生的齒槽轉矩：由磁通管球坐標計算出磁通管產生的齒槽轉矩，將其進行矢量疊加，得到單一磁極定子齒產生的齒槽轉矩；所有磁極對定子齒產生的齒槽轉矩：根據永磁球形電機中各個磁極初始位置計算各個磁極對定子齒產生的齒槽轉矩，再將其進行矢量疊加得到整個定子結構受到的齒槽轉矩。

技術領域

本發明屬于球形電機的齒槽轉矩分析領域，尤其涉及到一種鐵制殼、齒球形電機齒槽轉矩分析方法。

背景技術

由于球形電機具有體積小，響應速度快，運動精度高，直接驅動，工作空間非奇異且效率高等優點， 使其成為消除多自由度裝置缺點的一種有效解決方案；而且球形電機在航空航天、智能機器人、汽車制造、 精密裝備、醫學手術等領域具有廣泛的應用前景。隨著高性能稀土材料的發展，研究人員將永磁體引入球 形電機，大大減小了球形電機的體積，提高了球機磁能積、運行效率和可控性。由此，永磁球形電機在過 去幾十年中成為國內外學者廣泛研究的課題。

目前，為了降低分析的復雜性，國內外永磁式球形電機的定子軛、定子齒和轉子軛通常采用非鐵磁材 料，這種情況下氣隙磁通密度與電磁轉矩較小，導致球形電機的能量利用率較低，而當三者都為鐵磁材料 時，磁路隨著轉子位置的變化而變化，使得齒槽轉矩分析變得更加復雜。本研究本著增大永磁式球形電機 電磁轉矩的目的，將球形電機的定子軛、轉子軛、定子齒均采用鐵磁材料。由于球形電機結構的復雜性， 采用有限元法對齒槽轉矩進行分析計算量大且耗時長；而且永磁球形電機結構參數發生改變時，還要重新 仿真。因此，有限元法不適用于在電機設計初期和優化階段。本研究選擇采用等效磁路法可快速準確的計 算齒槽轉矩，并將其模型應用于球形電機控制中，有望通過改變輸入電流對電磁轉矩進行補償達到抑制轉 矩脈動和噪聲的效果。

發明內容

本發明的目標是克服球形電機增大電磁轉矩時產生齒槽轉矩使控制發生誤差的弊端,提出一種轉子在 任意位置時鐵制殼、齒球形電機的齒槽轉矩的快速分析方法。本發明采用離散數值分析法并使用等效磁路 和側邊力相結合的方法分析永磁球形電機齒槽轉矩,具體方案如下：

一種基于等效磁路法的永磁球形電機齒槽轉矩分析方法，包括下列步驟：

第一步：計算單根磁通管產生的氣隙磁密：根據單極多齒永磁球形電機結構，采用離散化數值分析法 建立永磁球形電機齒槽轉矩模型，不考慮定子繞組，選取永磁體作為永磁球形電機的唯一磁動勢源，將磁 極按照球坐標進行離散劃分，按照經度θ方向將磁極所占球坐標夾角θ1分為N_i份，按照緯度方向將2π分 為N_j份，計算各根磁通管初始球坐標為：

其中r_r為磁極半徑，R_r為轉子磁極外徑，為磁通管初始球坐標，(x₀,y₀,z₀)為磁通管初始直角坐標， 下標i，j為磁通管標號，N⁺表示正整數，設定永磁體上磁力線分布均勻，根據磁通管流入位置不同，將其 分為四種情況：第一種為磁通管流入定子鐵齒側邊，此時磁通管產生側邊力；第二種為磁通管流入定子軛 部，此時磁通管不產生側邊力；第三種為磁通管流入定子齒底部，此時磁通管不產生側邊力；第四種為磁 通管流入轉子球，此時磁通管不產生側邊力；由以上四種情況求得不同位置磁通管的路徑長度，在此基礎 上求得氣隙磁密B為其中μ為氣隙磁導率，w為氣隙中磁通路徑長度，H為磁場強度，l_pm為磁極高度；

第二步：計算磁通管對定子齒產生的齒槽轉矩：由于磁通管流入定子鐵齒側邊才產生側邊力及齒槽轉 矩，計算該種情況下的齒槽轉矩，首先由側邊力法計算單根磁通管產生的側邊力F為： 其中△S為磁通管射出磁極球面的微元面積；