本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子雙極對數(shù)運(yùn)行的磁場調(diào)制環(huán)設(shè)計(jì)方法，屬于電氣傳動應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

磁場調(diào)制的工作原理以磁調(diào)制環(huán)引起氣隙磁導(dǎo)的變化為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)不同極對數(shù)繞組之間的磁場耦合和功率傳遞，常用基本結(jié)構(gòu)如圖1所示?；诖嗽?，永磁齒輪實(shí)現(xiàn)了原動軸和從動軸之間的非接觸式轉(zhuǎn)速變換和轉(zhuǎn)矩變換。此外，已有研究成果實(shí)現(xiàn)了將基于磁場調(diào)制的永磁齒輪集成于電機(jī)中，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的“減速式”運(yùn)行。磁場調(diào)制環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)制、磁場極對數(shù)變化的關(guān)鍵因素。若雙饋感應(yīng)電機(jī)氣隙中圓周方向呈現(xiàn)正弦分布的P_i對極氣隙磁動勢經(jīng)過如圖1所示磁場調(diào)制環(huán)，在忽略磁場調(diào)制環(huán)圓周方向高次諧波磁導(dǎo)的條件下，若磁場調(diào)制環(huán)的調(diào)制塊數(shù)為N，則磁通包括P_i對極、N-P_i對極和N+P_i對極。其中，N-P_i對極和N+P_i對極的磁場旋轉(zhuǎn)方向相反。

目前磁場調(diào)制環(huán)設(shè)計(jì)多包含如下特點(diǎn)：

1)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用塊狀調(diào)制塊在圓周方向上的等占空比分布。采用此方法實(shí)現(xiàn)的交流基波磁導(dǎo)周期即為磁導(dǎo)經(jīng)過一個(gè)圓周的正弦交變次數(shù)。

2)若某一繞組極對數(shù)為P_i,另一繞組極對數(shù)為P_o，假定P_i<P_o，則調(diào)制塊數(shù)N應(yīng)設(shè)計(jì)為N＝P_o-P_i或N＝P_o+P_i。

3)若某一繞組極對數(shù)為P_i,另一繞組極對數(shù)為P_o，假定P_i<P_o：若調(diào)制塊數(shù)N設(shè)計(jì)為N＝P_o-P_i，則極對數(shù)為P_i的磁場經(jīng)磁場調(diào)制后的磁通包括P_i對極、P_o對極和N-2P_i對極?？紤]到電機(jī)極槽設(shè)計(jì)的限制，僅可通過磁場調(diào)制后的P_o對極磁場實(shí)現(xiàn)功率傳遞；若調(diào)制塊數(shù)N設(shè)計(jì)為N＝P_o+P_i，則極對數(shù)為P_i的磁場經(jīng)磁場調(diào)制后的磁通包括P_i對極、P_o對極和N+2P_i對極。考慮到電機(jī)極槽設(shè)計(jì)的限制，僅可通過磁場調(diào)制后的P_o對極磁場實(shí)現(xiàn)功率傳遞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開了一種在交流勵(lì)磁感應(yīng)電機(jī)中實(shí)現(xiàn)雙極對數(shù)磁場調(diào)制環(huán)的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明以定轉(zhuǎn)子極對數(shù)為基礎(chǔ)，在設(shè)定磁場調(diào)制環(huán)調(diào)制塊厚度上限的條件下，通過磁場調(diào)制環(huán)在圓周方向上的兩類磁導(dǎo)并聯(lián)設(shè)計(jì)，提出了一種磁場調(diào)制環(huán)的形狀確定方法。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了某極對數(shù)為P_i的磁場經(jīng)過磁場調(diào)制后，同時(shí)產(chǎn)生極對數(shù)為P_o和2P_o的磁場，且磁場旋轉(zhuǎn)方向相同。本發(fā)明突破了電機(jī)極槽設(shè)計(jì)的限制，為雙饋感應(yīng)電機(jī)在單個(gè)轉(zhuǎn)子上實(shí)現(xiàn)極對數(shù)為P_o和2P_o的雙繞組設(shè)計(jì)提供了技術(shù)可行性。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子雙極對數(shù)運(yùn)行的磁場調(diào)制環(huán)設(shè)計(jì)方法，其特征是，磁場調(diào)制環(huán)為環(huán)形塊，位于電機(jī)截面軸線偏轉(zhuǎn)角度為θ且磁路截面面積為s的磁場調(diào)制環(huán)微元厚度l_Fe按以下步驟計(jì)算：

1)設(shè)雙饋感應(yīng)電機(jī)定子繞組的極對數(shù)為p_s，在電機(jī)轉(zhuǎn)子槽數(shù)確定的條件下，設(shè)計(jì)兩組轉(zhuǎn)子繞組的極對數(shù)分別為p_r1和p_r2，且p_r2＝2p_r1；

2)根據(jù)電機(jī)定子極對數(shù)p_s和兩組電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組極對數(shù)p_r1和p_r2，分別計(jì)算磁場調(diào)制環(huán)第一類、第二類磁導(dǎo)在電機(jī)氣隙圓周方向的磁導(dǎo)交變次數(shù)N₁和N₂：

N₁＝p_s+p_r1 (式1a)

N₂＝p_s+p_r2 (式1b)

3)設(shè)磁場調(diào)制環(huán)的厚度上限為l，位于電機(jī)截面軸線偏轉(zhuǎn)角度為θ且磁路截面面積為s的磁場調(diào)制環(huán)的微元磁導(dǎo)為：

式中，μ_Fe為磁場調(diào)制環(huán)的相對磁導(dǎo)率，μ_air為空氣的相對磁導(dǎo)率；

由(式2)可得Λ(θ)的最大值Λ_max(θ)和最小值Λ_min(θ)分別為：

4)依據(jù)磁場調(diào)制環(huán)的磁導(dǎo)由兩類磁導(dǎo)并聯(lián)的原則，由第一類、第二類磁導(dǎo)并聯(lián)所構(gòu)成，位于電機(jī)截面軸線偏轉(zhuǎn)角度為θ且磁路截面面積為s的磁場調(diào)制環(huán)的微元磁導(dǎo)目標(biāo)函數(shù)為：

Λ_target(θ)＝M₀+M sin[(p_s+p_r1)θ]+M₀+M sin(p_s+p_r2)θ] (式4)

式中，M₀為第一類磁導(dǎo)和第二類磁導(dǎo)的直流分量幅值，M為第一類磁導(dǎo)和第二類磁導(dǎo)的交流分量幅值；

由(式4)可得：

Λ_target(θ)的最大值為：Λ_{target_max}(θ)＝2M₀+2M，

Λ_target(θ)的最小值為：Λ_{target_min}(θ)＝2M₀-2M；

5)以Λ_max(θ)和Λ_min(θ)作為約束條件，得：

聯(lián)立(式5a)和(式5b)得:

6)將(式6a)和(式6b)所得M₀和M代入(式4)，并根據(jù)(式2)可得：

根據(jù)(式7)得位于電機(jī)截面軸線偏轉(zhuǎn)角度為θ且磁路截面面積為s的磁場調(diào)制環(huán)微元厚度為：

環(huán)形的磁場調(diào)制環(huán)套設(shè)在雙饋感應(yīng)電機(jī)的定子上。

磁場調(diào)制環(huán)內(nèi)表面為光滑面。

磁場調(diào)制環(huán)內(nèi)表面與定子外壁相貼合。

由步驟6)計(jì)算出的微元厚度得到磁場調(diào)制環(huán)在圓周方向上不同位置的厚度，構(gòu)成磁場調(diào)制環(huán)波浪起伏狀的外表面。

磁場調(diào)制環(huán)為導(dǎo)磁材料。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：

本發(fā)明通過雙磁導(dǎo)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩種磁導(dǎo)的雙磁路并聯(lián)?；谠撛O(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了某一繞組極對數(shù)為P_i的磁場經(jīng)過磁場調(diào)制后，同時(shí)產(chǎn)生極對數(shù)為P_o和2P_o的磁場，且磁場旋轉(zhuǎn)方向相同。在此基礎(chǔ)上，在雙饋感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上設(shè)計(jì)極對數(shù)為P_o和2P_o的雙繞組，可實(shí)現(xiàn)極對數(shù)為P_o和2P_o的轉(zhuǎn)子繞組共同交流勵(lì)磁、極對數(shù)為P_o的轉(zhuǎn)子繞組單獨(dú)交流勵(lì)磁或極對數(shù)為2P_o的轉(zhuǎn)子繞組單獨(dú)交流勵(lì)磁，顯著拓寬了雙饋發(fā)電機(jī)的速度控制范圍。

附圖說明

圖1是常規(guī)磁場調(diào)制環(huán)原理圖。

圖2是本發(fā)明提出的磁場調(diào)制環(huán)磁導(dǎo)并聯(lián)原理圖。

圖3是本發(fā)明提出的磁場調(diào)制環(huán)原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

符號定義：

μ_Fe 調(diào)制塊的相對磁導(dǎo)率

μ_air 空氣的相對磁導(dǎo)率

p_s 定子繞組極對數(shù)

p_r1 第一組轉(zhuǎn)子繞組極對數(shù)

p_r2 第二組轉(zhuǎn)子繞組極對數(shù)

N₁ 磁場調(diào)制環(huán)第一類磁導(dǎo)在電機(jī)氣隙圓周方向的磁導(dǎo)交變次數(shù)

N₂ 磁場調(diào)制環(huán)第二類磁導(dǎo)在電機(jī)氣隙圓周方向的磁導(dǎo)交變次數(shù)

θ 沿電機(jī)截面縱軸線的偏轉(zhuǎn)角度

1)設(shè)計(jì)雙饋感應(yīng)電機(jī)定子繞組的極對數(shù)為p_s，在電機(jī)轉(zhuǎn)子槽數(shù)確定的條件下，設(shè)計(jì)兩組轉(zhuǎn)子繞組的極對數(shù)分別為p_r1和p_r2，且p_r2＝2p_r1。

2)如圖2和圖3所示，依據(jù)磁場調(diào)制環(huán)的磁導(dǎo)由兩類磁導(dǎo)并聯(lián)的原則，根據(jù)電機(jī)定子極對數(shù)p_s和兩組電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組極對數(shù)p_r1和p_r2，分別計(jì)算磁場調(diào)制環(huán)第一類、第二類磁導(dǎo)在電機(jī)氣隙圓周方向的磁導(dǎo)交變次數(shù)N₁和N₂：

N₁＝p_s+p_r1 (式1a)

N₂＝p_s+p_r2 (式1b)

3)設(shè)磁場調(diào)制環(huán)的環(huán)形塊厚度上限為l，位于電機(jī)截面軸線偏轉(zhuǎn)角度為θ且磁路截面面積為s的磁場調(diào)制環(huán)的微元磁導(dǎo)為：

式中，l_Fe為電機(jī)截面軸線偏轉(zhuǎn)角度為θ且磁路截面面積為s的磁場調(diào)制環(huán)微元厚度。

由(式2)可見Λ(θ)的最大值和最小值分別為：

4)依據(jù)磁場調(diào)制環(huán)的磁導(dǎo)由兩類磁導(dǎo)并聯(lián)的原則，由第一類、第二類磁導(dǎo)并聯(lián)所構(gòu)成，位于電機(jī)截面軸線偏轉(zhuǎn)角度為θ且磁路截面面積為s的磁場調(diào)制環(huán)的微元磁導(dǎo)目標(biāo)函數(shù)為：

Λ_target(θ)＝M₀+M sin[(p_s+p_r1)θ]+M₀+M sin(p_s+p_r2)θ] (式4)

式中，M₀為第一類磁導(dǎo)和第二類磁導(dǎo)的直流分量幅值，M為第一類磁導(dǎo)和第二類磁導(dǎo)的交流分量幅值。

由(式4)可知：Λ_target(θ)的最大值為Λ_{target_max}(θ)＝2M₀+2M，且Λ_target(θ)的最小值為Λ_{target_min}(θ)＝2M₀-2M。

5)以Λ_max(θ)和Λ_min(θ)作為約束條件，可得：

聯(lián)立(式5a)和(式5b)可得:

6)將(式6a)和(式6b)所得M₀和M代入(式4)，并根據(jù)(式2)所示位于電機(jī)截面軸線偏轉(zhuǎn)角度為θ且磁路截面面積為s的磁場調(diào)制環(huán)微元磁導(dǎo)表達(dá)式可得：

根據(jù)(式7)可得位于電機(jī)截面軸線偏轉(zhuǎn)角度為θ且磁路截面面積為s的磁場調(diào)制環(huán)微元厚度為：

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。