CN110581632B - 非均匀齿拓扑结构永磁游标电机及其磁场调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非均匀齿拓扑结构永磁游标电机及其磁场调制方法，非均匀齿拓扑结构永磁游标电机通过在定子环上间隔设置多个齿单元，各齿单元内相邻两个定子齿之间的间距与相邻两个齿单元之间形成的齿单元槽之槽距不相等，且各齿单元内多个定子齿关于该齿单元的中心面对称，使定子环上形成非均匀分布齿结构，引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过非均匀分布齿结构与永磁体调制出空载气隙磁密谐波，使空载气隙磁密谐波与目标磁导谐波对应，从而通过非均匀分布齿结构与永磁体调制出与目标磁导谐波对应的空载气隙磁密谐波，充分利用电枢绕组产生的磁动势谐波，增加永磁游标电机的输出转矩和转矩密度。

Description

非均匀齿拓扑结构永磁游标电机及其磁场调制方法

技术领域

本发明属于永磁电机及永磁电机设计技术领域，更具体地说，是涉及一种非均匀齿拓扑结构永磁游标电机及其磁场调制方法。

背景技术

游标电机(Vernier Machine)作为一种低速大转矩的直接驱动型电机，在电动汽车、风力发电、海浪发电等新能源领域有着广泛的应用前景。游标电机是一类定子、转子极数不相等的永磁电机，它主要包括定子、转子以及磁场调制部分。当前的开口槽式永磁游标电机，通常沿其定子的周向均匀开设有多个容纳电枢绕组的定子槽，各定子槽之间凸起的部分形成定子齿，通过均匀分布的定子齿结构进行调磁(磁场调制)，使转子的多数极对数磁场调制成与定子相匹配的少数极对数磁场，从而产生稳定的电磁转矩。然而，这种具有均匀分布齿结构的永磁游标电机，会导致电枢绕组的大量绕组磁动势谐波未被充分利用，严重限制了永磁游标电机输出转矩和转矩密度的提升。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种非均匀齿拓扑结构永磁游标电机，以解决现有技术中存在的永磁游标电机难以充分利用绕组磁动势谐波，限制永磁游标电机输出转矩和转矩密度提升的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种非均匀齿拓扑结构永磁游标电机，包括定子和转子，所述转子包括转子架和安装于所述转子架上的多对永磁体；所述定子包括定子环、等间隔设置于所述定子环上的多个齿单元和若干定子绕组，相邻两个所述齿单元之间形成有齿单元槽；各所述齿单元包含多个定子齿，各所述定子齿上分别设有所述定子绕组；各所述齿单元内的多个所述定子齿关于该齿单元的中心面对称，且各所述齿单元内相邻两个所述定子齿之间的间距与所述齿单元槽的槽距不相等。

进一步地，所述定子绕组为三相对称集中式电枢绕组。

进一步地，各所述齿单元包含n_g个依次排布的所述定子齿，且所述齿单元的个数为Z_f，所述定子上所述定子齿的个数为Z_s，则

其中，Z_s、Z_f、n_g分别为大于1的整数。

进一步地，多个所述齿单元的所述定子齿之齿宽相等。

进一步地，相邻两个所述齿单元之中心面之间的夹角相等。

本发明提供的一种非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的有益效果在于：与现有技术相比，本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机，通过在定子环上间隔设置多个齿单元，各齿单元内相邻两个定子齿之间的间距与相邻两个齿单元之间形成的齿单元槽之槽距不相等，且各齿单元内的多个定子齿关于该齿单元的中心面对称，以使定子上的定子齿形成非均匀分布齿结构，引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过非均匀分布齿结构与永磁体调制出空载气隙磁密谐波，使空载气隙磁密谐波与目标磁导谐波对应，从而通过非均匀分布齿结构与永磁体调制出与目标磁导谐波对应的空载气隙磁密谐波，充分利用电枢绕组产生的磁动势谐波，实现电机额外产生净输出转矩，从而使永磁游标电机增加输出转矩和转矩密度。

本发明的目的之二在于提供一种非均匀齿拓扑结构永磁游标电机调制方法，以解决现有技术中存在的永磁游标电机难以充分利用绕组磁动势谐波，限制永磁游标电机输出转矩和转矩密度提升的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法，包括引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过所述目标磁导谐波与所述永磁体调制出空载气隙磁密谐波，所述空载气隙磁密谐波与所述未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应。

进一步地，所述非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法还包括在引入所述目标磁导谐波步骤之前的绕组磁动势谐波选取步骤，所述绕组磁动势谐波选取步骤包括：设定在多个所述定子齿呈环形排布且等间隔均匀分布的条件下，计算并分析所述电枢绕组的绕组磁动势谐波成分，并选取未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波。

进一步地，所述非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法还包括在引入所述目标磁导谐波步骤之前的齿槽转矩优化步骤，所述齿槽转矩优化步骤包括：运用齿槽转矩相量分别对多个所述齿单元内相同次序位置的所述定子齿的齿槽转矩谐波进行分析，通过修改各所述齿单元内相同次序位置的所述定子齿的齿宽与位置，以消除特定次齿槽转矩谐波。

进一步地，在所述齿槽转矩优化步骤之后，通过对所述目标磁导谐波与所述永磁体调制出的各有效次空载气隙磁密谐波含量进行计算，在满足齿槽转矩最小的条件下确定输出转矩最高的设计点。

进一步地，根据所述目标磁导谐波与所述永磁体调制出的各有效次空载气隙磁密谐波含量分析计算得到的电磁转矩满足关系式：

其中，k_T为转矩系数，

为与绕组磁动势对应的|Z_r±mZ_f|次磁密谐波幅值，T_e为电磁转矩，B_effect为气隙有效磁密，Z_r永磁体极对数，Z_f为齿单元个数，m为自然数。

本发明提供的一种非均匀齿拓扑结构永磁游标电机磁场调制方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机磁场调制方法，通过在定子环上间隔设置多个齿单元，各齿单元内相邻两个定子齿之间的间距与相邻两个齿单元之间形成的齿单元槽之槽距不相等，且各齿单元内的多个定子齿关于该齿单元的中心面对称，以使定子环上的定子齿形成非均匀分布齿结构，保证定子齿绕组三相对称。则可通过定子上的非均匀分布齿结构，引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过非均匀分布齿结构与永磁体调制出空载气隙磁密谐波，使空载气隙磁密谐波与目标磁导谐波对应，从而通过非均匀分布齿结构与永磁体调制出与目标磁导谐波对应的空载气隙磁密谐波，充分利用电枢绕组产生的磁动势谐波，实现电机额外产生净输出转矩，从而使永磁游标电机增加输出转矩和转矩密度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的定子上绕设有定子绕组的立体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的定子的立体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的定子上绕设有定子绕组的俯视结构示意图；

图5为本发明实施例提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机磁场调制方法中的定子齿划分齿单元的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机磁场调制方法中的齿槽转矩分组的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机磁场调制方法中的齿槽转矩分组情况的示意图；

图8为本发明实施例提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机磁场调制方法中的定子绕组短距分布绕组的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机磁场调制方法中的齿槽转矩各组的相量图；

图10为本发明实施例提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机磁场调制方法中n_g＝4时齿槽转矩次谐波相量图；

图11为本发明实施例提供的定子上各齿单元包含有四个均匀分布定子齿的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的定子上各齿单元包含有四个非均匀分布定子齿的结构示意图。

其中，图中各附图主要标记：。

1-定子；11-定子环；12-齿单元；121-定子齿；13-定子绕组；

2-转子；21-转子架；22-永磁体；

3-中心面；4-齿单元槽。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行优选地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1至图3，现对本发明提供的一种非均匀齿拓扑结构永磁游标电机进行说明。本发明提供的一种非均匀齿拓扑结构永磁游标电机，包括定子1和转子2，转子2包括转子架21和安装于转子架21上的多对永磁体22；定子1包括定子环11、等间隔设置于定子环11上的多个齿单元12和若干定子绕组13，相邻两个齿单元12之间形成有齿单元槽4；各齿单元12包含多个定子齿121，各定子齿121上分别设有定子绕组13；各齿单元12内的多个定子齿121关于该齿单元12的中心面3对称，且各齿单元12内相邻两个定子齿121之间的间距与齿单元槽4的槽距不相等，以使定子1上的定子齿121形成非均匀分布齿结构。并且，各齿单元12对应定子环11上的一段弧形段，该弧形段的中心对称面即为该齿单元12的中心面3。

具体地，各齿单元12内的多个定子齿121以该齿单元12的中心面3对称，即各齿单元12内可以包含两个或两个以上定子齿121，且各齿单元12内两个或两个以上定子齿121以该齿单元12的中心面3对称。并且，如图11及图12所示，当各齿单元12内包含四个或者四个以上定子齿121时，各齿单元12内的多个定子齿121在满足关于该齿单元12的中心面3对称的条件下，各齿单元12内的多个定子齿121可以是均匀分布，也可以是非均匀分布，当各齿单元12内的多个定子齿121不均匀分布时，引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过非均匀分布齿结构与永磁体22调制出空载气隙磁密谐波，使空载气隙磁密谐波与目标磁导谐波对应，进而通过非均匀分布齿结构与永磁体22调制出与目标磁导谐波对应的空载气隙磁密谐波，充分利用电枢绕组产生的磁动势谐波，实现电机额外产生净输出转矩，增加永磁游标电机的输出转矩和转矩密度。

本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机，与现有技术相比，通过在定子环11上间隔设置多个齿单元12，各齿单元12内相邻两个定子齿121之间的间距与相邻两个齿单元12之间形成的齿单元槽4之槽距不相等，且各齿单元12内的多个定子齿121关于该齿单元12的中心面3对称，以使定子1上的定子齿121形成非均匀分布齿结构，引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过非均匀分布齿结构与永磁体22调制出空载气隙磁密谐波，使空载气隙磁密谐波与目标磁导谐波对应，进而通过非均匀分布齿结构与永磁体22调制出与目标磁导谐波对应的空载气隙磁密谐波，充分利用电枢绕组产生的磁动势谐波，实现电机额外产生净输出转矩，增加永磁游标电机的输出转矩和转矩密度。

优选地，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的一种具体实施方式，定子绕组13为三相对称集中式电枢绕组，保证了定子齿121非均匀分布后三相绕组对称、齿槽转矩不激增，从而减小齿槽转矩波动，提高永磁游标电机运行的稳定性。

具体地，以三相电枢绕组的磁动势谐波成分分析为例进行说明：开口槽式游标电机由于特殊的极数配比，电枢绕组极对数与定子齿121数差距较大，形成了一种分布集中绕组的绕线方案，且游标电机电枢绕组极对数p往往较低(p≤3)。如图8所示，定子绕组13包括A相子绕组、B相子绕组和C相子绕组，其中，A相子绕组、B相子绕组和C相子绕组分别分为p组，每相每组包含Zs/3/p个定子齿121，在Zs/3/p个定子齿121上采用相同方向绕线，并间隔360/p角度对称分布于定子环11一周，从而产生p对极的效果。使用该方式对极产生的绕组磁动势偶次谐波无法相互抵消，故下式(1-1)中绕组磁动势存在偶次谐波成分。

在三相对称集中式电枢绕组通入对称三相电流i＝I sin(ωt-α)时，三相集中式双层电枢绕组的磁动势谐波成分满足以下关系式：

其中，p为绕组极对数，ω为绕组输入三相电流的角速度，α为电流初始相位角，k_w为各次谐波绕组因素，F_c1为傅里叶分解基波含量，θ_m为转子2机械位置角度，n为从小到大依次取值的自然数。

进一步地，请参阅图2及图3，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的一种具体实施方式，各齿单元12包含n_g个依次排布于所述定子环11上的定子齿121，且齿单元12的个数为Z_f，定子环11上定子齿121的个数为Z_s，则

其中，Z_s、Z_f、n_g分别为大于1的整数。

具体地，请参阅图2、图3及图5，将Z_s个定子齿121呈环形并间隔地排布于定子环11上，沿顺时针或逆时针方向依次选取n_g个连续排布的定子齿121为一个齿单元12，以将Z_s个定子齿121划分为Z_f个齿单元12，使Z_f个齿单元12与Z_s个定子齿121满足关系式

为确保可以通过调整相邻定子齿121之间的间距以引入额外与未被空载气隙磁密谐波利用的低次绕组磁动势谐波对应频率的磁导谐波含量，须确保各齿单元12的定子齿121个数n_g大于1。

进一步地，请参阅图2及图3，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的一种具体实施方式，多个齿单元12具有相同的定子齿121分布结构，使绕设于Z_s个所述定子齿121上的多个所述集中式电枢绕组相间对称，保证了定子齿121非均匀分布后三相绕组对称、齿槽转矩不激增，从而减小齿槽转矩波动，提高永磁游标电机运行的稳定性。

进一步地，请参阅图2及图3，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的一种具体实施方式，多个齿单元12的定子齿121之齿宽相等，以消除Z_s个齿共同产生齿槽转矩的特定次谐波，保证了定子齿121非均匀分布后齿槽转矩不激增，从而减小齿槽转矩波动，提高永磁游标电机运行的稳定性。

进一步地，请参阅图2及图3，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的一种具体实施方式，任意相邻两个齿单元12的中心面3之间的夹角相等，即任意相邻两个齿单元12之间的间距相等，且Z_f个齿单元12和Z_s个定子齿121分别满足电枢绕组对称条件。根据总定子齿121个数Z_s确定三相电枢绕组对称时，Z_s个定子齿121非均匀分布时需满足的条件为，保证A相子绕组、B相子绕组和C相子绕组三相绕线方式的电枢绕组各相差120°机械角度。其他各相电枢绕组对称条件下，与三相电枢绕组的磁动势谐波成分分析原理相同。

本实施例中，在满足任意相邻两个齿单元12的中心面3之间的夹角相等并保证各齿单元12的中心面3位置不变的条件下，根据未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波，调整各齿单元12内n_g个定子齿121的位置，直至各齿单元12内相邻两个定子齿121之间的间距与相邻两个齿单元12之间的间距不相等，以使Z_s个定子齿121在定子环11上构成非均匀分布齿结构，则可利用定子环11上的非均匀分布齿结构，引入与在定子齿121均匀分布条件下未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过非均匀分布齿结构与永磁体22调制出与目标磁导谐波对应的空载气隙磁密谐波，充分利用电枢绕组产生的磁动势谐波，实现电机额外产生净输出转矩，从而使永磁游标电机增加输出转矩和转矩密度。

本发明还提供的一种非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法，包括引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过目标磁导谐波与永磁体22调制出空载气隙磁密谐波，空载气隙磁密谐波与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应。

本步骤中，通过非均匀分布齿结构引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过目标磁导谐波与永磁体22调制出与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应的空载气隙磁密谐波，使永磁游标电机增加输出转矩和转矩密度。

具体地，本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法包括如下步骤：

步骤S1：将Z_s个定子齿121呈环形并间隔地排布于定子1的定子环11上，沿顺时针或逆时针方向依次选取n_g个连续排布的定子齿121为一个齿单元12，以将Z_s个定子齿121划分为Z_f个齿单元12。

本步骤中，请参阅图2、图3及图5，对Z_s个定子齿121进行分组，通过将n_g个连续排布的定子齿121划分为一个齿单元12，使Z_f个齿单元12与Z_s个定子齿121满足关系式

为确保可以通过调整相邻定子齿121之间的间距以引入额外与未被空载气隙磁密谐波利用的低次绕组磁动势谐波对应频率的磁导谐波含量，须确保各齿单元12的定子齿121个数n_g大于1。

步骤S2：在任意相邻两个齿单元12的中心面3之间的夹角相等并保证各齿单元12中心面3位置不变的条件下，根据未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波，调整各齿单元12内n_g个定子齿121的位置，直至各齿单元12内相邻两个定子齿121之间的间距与相邻两个齿单元12之间的间距不相等，以使Z_s个定子齿121在定子环11上构成非均匀分布齿结构。

具体地，在步骤S2中，根据永磁电机工作原理，永磁电机转矩来源于对应次数永磁体22磁密与绕组磁动势相互作用，其可用数学表达式表示为：

T＝k_T∑k_wn F_cn B_PMn (1-2)

其中，式中B_PMn为空载气隙磁密n次谐波幅值；k_T为常数，与永磁电机结构相关；k_wn为n次谐波绕组因数；F_cn为绕组磁动势谐波幅值；n为未被空载气隙磁密谐波利用的特定次绕组磁动势谐波的次数。

步骤S3：请参阅图4，将各齿单元12内n_g个定子齿121设置成关于该齿单元12的中心面3对称，并将Z_f个齿单元12设置成具有相同的定子齿121分布结构，以使绕设于Z_s个定子齿121上的多个集中式电枢绕组相间对称。

在步骤S3中，由于每对极p对应齿同极性绕制，可在齿数范围内充分调制p的大小，以三相集中式双层电枢绕组三相对称为例，应确保齿单元12个数Z_f与各齿单元12的定子齿121个数n_g满足以下关系式：

步骤S4：引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过非均匀分布齿结构与永磁体22调制出空载气隙磁密谐波，使空载气隙磁密谐波与目标磁导谐波对应，使永磁游标电机增加输出转矩和转矩密度。

在步骤S4中，定子1上的定子齿121按上述非均匀分布齿结构设计规则变化后，气隙磁导基波次数由Z_s变为Z_f，当仅考虑次数低于Z_s次绕组磁动势谐波时，此时磁导谐波增加了(n_g-1,…,1)Z_f次谐波，磁导谐波含量明显更为丰富，且额外引入的磁导谐波含量可通过改变单元内部定子齿121的分布规律进行调制。

例如，传统1-17-18(p-Z_r-Z_s)极数配比的游标电机，空载气隙磁场主要为基波、17次谐波，分别与绕组磁动势的基波、17次谐波作用产生净输出转矩。一般而言，永磁同步电机永磁体22产生的空载磁动势主要谐波仅为永磁体22极对数Z_r次谐波。游标电机通过磁场调制效应，较永磁同步电机额外引入了Z_s-Z_p次谐波，但相对绕组磁动势谐波含量而言，所利用绕组磁动势仅为1次和17次，相对含量丰富的5、7、11、13等低次绕组磁动势谐波均未得到有效利用。本步骤中，可以根据式(1-1)中绕组磁动谐波成分关系式选取未被空载气隙磁密谐波利用的低次绕组磁动势谐波，以利用幅值较高的低次绕组磁动势谐波与调制出的对应次气隙磁密谐波作用，使电机转子22额外产生较高的输出转矩。

本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法，与现有技术相比，通过在定子环11上间隔设置多个齿单元12，各齿单元12内相邻两个定子齿121之间的间距与相邻两个齿单元12之间形成的齿单元槽4之槽距不相等，且各齿单元12内的多个定子齿121关于该齿单元12的中心面3对称，以使定子1上的定子齿121形成非均匀分布齿结构，引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，通过非均匀分布齿结构与永磁体22调制出空载气隙磁密谐波，使空载气隙磁密谐波与目标磁导谐波对应，进而通过非均匀分布齿结构与永磁体22调制出与目标磁导谐波对应的空载气隙磁密谐波，充分利用电枢绕组产生的磁动势谐波，实现电机额外产生净输出转矩，增加永磁游标电机的输出转矩和转矩密度。

优选地，请参阅图3及图4，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法的一种具体实施方式，非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法还包括在引入目标磁导谐波步骤之前的绕组磁动势谐波选取步骤，绕组磁动势谐波选取步骤包括：设定在多个定子齿121呈环形排布且等间隔均匀分布的条件下，计算并分析电枢绕组的绕组磁动势谐波成分，并选取未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波。

本步骤中，假设在Z_s个定子齿121呈环形排布且等间隔均匀分布的条件下，根据永磁游标电机磁场调制原理，通过式(1-1)计算并分析集中式电枢绕组的绕组磁动势谐波成分，选取未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波。

优选地，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法的一种具体实施方式，绕组磁动势谐波选取步骤中，选取绕组磁动势谐波成分中未被空载气隙磁密谐波利用的最低次或者含量较高的低次绕组磁动势谐波，以利用幅值最高的最低次磁动势谐波或幅值较高的磁动势谐波与引入的对应次气隙磁密谐波作用，使电机转子22额外产生较高的输出转矩，进一步增加永磁游标电机输出转矩和转矩密度。

优选地，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法的一种具体实施方式，将选取未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波的次数记为Z_c，将目标磁导谐波的磁导次数记为Z_fn，则Z_fn＝Z_r-Z_c，且齿单元12数Z_f满足关系式Z_f＝GCD(Z_fn,Z_s)或Z_f＝Z_s-Z_fn；其中，式中GCD为最大公约数。

本步骤中，以存在2p次绕组磁动势谐波的三相电枢绕组对称的永磁游标电机为例说明，由于Z_s为3p的倍数，故Z_s-3p同样为3p的倍数，通过最大公约数所确定的齿单元12个数Z_f必然满足电枢绕组对称条件。

具体地，通过目标磁导谐波与永磁体22调制出的空载气隙磁密谐波成分满足以下关系式：

其中，B为磁密，P为磁导，F为永磁体磁动势，

为|nZ_r±mZ_f|次磁密谐波幅值，θ_m为转子机械位置角度；Z_r为永磁体极对数；Z_f为齿单元个数；θ为转子上不同位置距参照点的角度；m为自然数，n为不小于1的奇数。

本步骤中，根据式(1-4)例如在定子齿121均匀分布的齿结构中，永磁体22产生的空载气隙磁密主要有2(p)、16(Z_r)次谐波，对应次数的电枢绕组磁动势谐波被利用到了，而式(1-1)中的其余低次谐波，如4(2p)、8(4p)次，并未被利用到。该设计方法即选择未被利用的最低次谐波，即本例为4(2p)次。当想产生4(2p)次磁密时，所需磁导次数Z_fn可通过式(1-4)确定，Z_fn＝Z_r(16)-2p(4)＝12，即额外引入12(Z_fn)次磁导谐波。

优选地，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法的一种具体实施方式，非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法还包括在利用定子1上的非均匀分布齿结构引入目标磁导谐波步骤之前的齿槽转矩优化步骤，齿槽转矩优化步骤包括：运用齿槽转矩相量分别对多个齿单元12内相同次序位置的定子齿121的齿槽转矩谐波进行分析，通过修改各齿单元12内相同次序位置的定子齿121的齿宽与位置，以消除特定次齿槽转矩谐波。

具体地，请参阅图6及图7，分别将Z_f个齿单元12内部相同次序位置(图6中相同条纹的定子齿121)的Z_f个定子齿121划分为一组齿槽转矩组，则将Z_s个定子齿121分为n_g组齿槽转矩组，请参阅图7，并运用齿槽转矩相量对Z_f个齿单元12内部相同次序位置的定子齿121的齿槽转矩谐波进行分析，通过改变各齿单元12内部相同次序位置的定子齿121的齿宽与位置，以改变各组齿槽转矩组的各次齿槽转矩谐波的相位与幅度，消除特定次齿槽转矩谐波。

优选地，请参阅图3及图4，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法的一种具体实施方式，在所述调整各所述齿单元12内部相同次序位置的所述定子齿121的齿宽与位置步骤中，将Z_s个所述定子齿121设置为等宽，以消除Z_s个齿共同产生齿槽转矩的特定次谐波。

具体地，将Z_s个所述定子齿121设置为等宽，控制n_g组齿槽转矩组齿槽转矩谐波相量的相角分布，使各齿槽转矩组齿槽转矩谐波相量等间隔分布，以消除Z_s个定子齿121非均匀分布所引入的特定次齿槽转矩谐波。并且，将产生各组齿槽转矩相量的各组齿设置为特定间距，保证各组齿槽转矩相量等幅值，等旋转角度分布，以消除Z_s个齿共同产生齿槽转矩的特定次谐波。

优选地，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法的一种具体实施方式，在所述将Z_s个所述定子齿121设置为等宽步骤之后，根据各所述齿槽转矩组的齿槽转矩特定次谐波相位，计算得到各所述齿单元12内各所述定子齿121相对该齿单元12的中心面3的机械偏移角度，在计算得到的多个所述机械角度中选取目标机械角度，以确定各所述齿单元12内各所述定子齿121的偏移位置。

优选地，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法的一种具体实施方式，在齿槽转矩优化步骤之后，通过对目标磁导谐波与永磁体22调制出的各有效次空载气隙磁密谐波含量进行计算，在满足齿槽转矩最小的条件下确定输出转矩最高的设计点。

具体地，根据目标磁导谐波与永磁体22调制出的各有效次空载气隙磁密谐波含量分析计算得到的电磁转矩满足关系式：

其中，k_T为转矩系数，

为与绕组磁动势对应的|Z_r±mZ_f|次磁密谐波幅值，T_e为电磁转矩，B_effect为气隙有效磁密，Z_r永磁体极对数，Z_f为齿单元个数，m为自然数。

优选地，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法的一种具体实施方式，在所述调整各所述齿单元12内部相同次序位置的所述定子齿121的齿宽与位置步骤中，n_g组所述齿槽转矩组共同作用产生的齿槽转矩满足以下关系式：

其中，T_cog为齿槽转矩，k为第k组齿，i为齿槽转矩的i次谐波，T_kiNcog为第k组齿产生的齿槽转矩的i次谐波分量幅值，N_cog为齿单元个数Z_f和永磁体极数2Z_r的最小公倍数，θ_m为转子机械位置角度，α_k为第k组齿相对定子参考点的偏移角度。

本步骤中，如图7和图9所示，根据Z_s个非均匀分布的定子齿121的齿单元12划分情况，将Z_s个定子齿121分为n_g组齿槽转矩组、各组齿槽转矩组包含Z_f个齿的方法对齿槽转矩进行分析，以解决定子齿121非均匀分布时的齿槽转矩变大问题。如图6所示，虽然各齿单元12的内部的n_g个定子齿121呈非均匀分布，但由于Z_f个齿单元12内部的n_g个定子齿121分布情况相同，且各齿单元12的中心面3间隔相同，此时，Z_f个齿单元12内相同次序位置的Z_f个定子齿121相间隔的距离相等，即为均匀分布情况。

优选地，请参阅图10，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法的一种具体实施方式，在将Z_s个所述定子齿设置为等宽步骤后，将各组齿槽转矩组的齿槽转矩基波相量依次偏移α_ng角度，以使整体齿槽转矩最低。其中，所述α_ng满足关系式：

其中，n_g为齿槽转矩组的组数。

此时，在将各组所述齿槽转矩组的齿槽转矩基波相量依次偏移α_ng角度步骤之后，各组所述齿槽转矩组的齿槽转矩各次谐波相量满足以下关系式：

其中，T_cogk为第k组齿齿槽转矩，i为齿槽转矩的i次谐波，T_kiNcog为第k组齿产生的齿槽转矩的i次谐波分量幅值，N_cog为齿单元个数Z_f和永磁体极数2Z_r的最小公倍数，θ_m为转子机械位置角度，α_k为第k组齿相对定子参考点的偏移角度。

当考虑齿槽转矩多次谐波时，由于引入非均匀齿结构后，齿槽转矩基波次数由LCM(Z_s，2Z_r)降低到LCM(Z_f，2Z_r)，其中LCM为最小公倍数，较均匀齿结构新引入了多次谐波。使用上述方法，可同时将以上新引入谐波含量一同消除，以各齿单元12内定子齿121个数为4，即n_g组齿槽转矩组为4组的情况进行说明：如图,10所示，此时α_ng为90°，各相量幅值相同。图10中给出前4次情况，后续各次谐波依次循环。当α_ng为90°倍数时，以齿槽转矩组内某次作为基准，第l+1齿相位可将其表示为l90°。该方法前提是l不能等于4的倍数，如为4整数倍时，α_ng为360°的倍数，各次谐波均为叠加关系，将会使齿槽转矩达到最大。其余的l取值均可达到消除低次谐波的效果，该方法消除了齿槽转矩中谐波次数不为4倍数的谐波。由此可见，通过该方法可消除次数不等于ngN_cog倍数的齿槽转矩波动。此时，ngN_cog倍数次波动幅值为各组齿相量幅值叠加。其中，N_cog为非均匀齿时齿槽转矩基波次数。

优选地，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法的一种具体实施方式，在非均匀分布齿结构中，各所述齿槽转矩组的相对位置角可充分调整，以使各所述齿槽转矩组的定子齿121共同作用的齿槽转矩结果最小。且在所述运用齿槽转矩相量对n_g组所述齿槽转矩组的齿槽转矩谐波进行分析步骤中，各组所述齿槽转矩组的相量相量满足关系式：

其中，

为第k组齿齿槽转矩的相量形式，i为齿槽转矩的i次谐波，T_kiNcog为第k组齿产生的齿槽转矩的i次谐波分量幅值，N_cog为齿单元个数Z_f和永磁体极数2Z_r的最小公倍数，θ_m为转子机械位置角度，α_k为第k组齿相对定子参考点的偏移角度。

优选地，作为本发明提供的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法的一种具体实施方式，绕设于Z_s个所述定子齿121上的多个所述集中式电枢绕组相间对称，使A相子绕组与B相子绕组具有120°的相位差，且B相子绕组与C相子绕组具有120°的相位差，从而使在永磁游标电机运转的过程中，转子2不会产生很强的单边磁拉力，降低了三相电机在高速运转时的噪音。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非均匀齿拓扑结构永磁游标电机，其特征在于，包括定子和转子，其特征在于，所述转子包括转子架和安装于所述转子架上的多对永磁体；所述定子包括定子环、等间隔设置于所述定子环上的多个齿单元和若干定子绕组，相邻两个所述齿单元之间形成有齿单元槽；各所述齿单元包含多个定子齿，各所述定子齿上分别设有所述定子绕组；在同一个所述齿单元内：沿所述定子的周向间隔设置至少四个所述定子齿，至少四个所述定子齿关于所述齿单元的中心面对称，相邻两个所述定子齿之间的间距与所述齿单元槽的槽距不相等，且至少四个所述定子齿为非等间隔分布；其中，各齿单元对应定子环上的一段弧形段，该弧形段的中心对称面为该齿单元的中心面。

2.如权利要求1所述的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机，其特征在于，所述定子绕组为三相对称集中式电枢绕组。

3.如权利要求1所述的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机，其特征在于，各所述齿单元包含n_g个依次排布的所述定子齿，且所述齿单元的个数为Z_f，所述定子上所述定子齿的个数为Z_s，则

其中，Z_s、Z_f、n_g分别为大于1的整数。

4.如权利要求3所述的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机，其特征在于，多个所述齿单元的所述定子齿之齿宽相等。

5.如权利要求1所述的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机，其特征在于，相邻两个所述齿单元中心面之间的夹角相等。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法，其特征在于，包括通过所述非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的所述定子上的非均匀分布齿结构，引入与未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波对应频率的目标磁导谐波，使目标磁导谐波产生电磁转矩。

7.如权利要求6所述的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法，其特征在于，所述非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法还包括在引入所述目标磁导谐波步骤之前的绕组磁动势谐波选取步骤，所述绕组磁动势谐波选取步骤包括：设定在多个所述定子齿呈环形排布且等间隔均匀分布的条件下，计算并分析电枢绕组的绕组磁动势谐波成分，并选取未被空载气隙磁密谐波利用的绕组磁动势谐波。

8.如权利要求6所述的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法，其特征在于，所述非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法还包括在引入所述目标磁导谐波步骤之前的齿槽转矩优化步骤，所述齿槽转矩优化步骤包括：运用齿槽转矩相量分别对多个所述齿单元内相同次序位置的所述定子齿的齿槽转矩谐波进行分析，通过修改各所述齿单元内相同次序位置的所述定子齿的齿宽与位置，以消除特定次齿槽转矩谐波。

9.如权利要求8所述的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法，其特征在于，在所述齿槽转矩优化步骤之后，通过对所述目标磁导谐波与所述永磁体调制出的各有效次空载气隙磁密谐波含量进行计算，在满足齿槽转矩最小的条件下确定输出转矩最高的设计点。

10.如权利要求9所述的非均匀齿拓扑结构永磁游标电机的磁场调制方法，其特征在于，根据所述目标磁导谐波与所述永磁体调制出的各有效次空载气隙磁密谐波含量分析计算得到的电磁转矩满足关系式：

其中，k_T为转矩系数，

为与绕组磁动势对应的|Z_r±mZ_f|次磁密谐波幅值，T_e为电磁转矩，B_effect为气隙有效磁密，Z_r永磁体极对数，Z_f为齿单元个数，m为自然数。

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