[发明专利]基于等效磁路法的永磁球形电机齿槽转矩分析方法

说明书

本发明涉及一种基于等效磁路法的永磁球形电机齿槽转矩分析方法，包括下列步骤：计算单根磁通管产生的气隙磁密；计算磁通管对定子齿产生的齿槽转矩；单一磁极对定子齿产生的齿槽转矩：由磁通管球坐标计算出磁通管产生的齿槽转矩，将其进行矢量叠加，得到单一磁极定子齿产生的齿槽转矩；所有磁极对定子齿产生的齿槽转矩：根据永磁球形电机中各个磁极初始位置计算各个磁极对定子齿产生的齿槽转矩，再将其进行矢量叠加得到整个定子结构受到的齿槽转矩。

技术领域

本发明属于球形电机的齿槽转矩分析领域，尤其涉及到一种铁制壳、齿球形电机齿槽转矩分析方法。

背景技术

由于球形电机具有体积小，响应速度快，运动精度高，直接驱动，工作空间非奇异且效率高等优点， 使其成为消除多自由度装置缺点的一种有效解决方案；而且球形电机在航空航天、智能机器人、汽车制造、 精密装备、医学手术等领域具有广泛的应用前景。随着高性能稀土材料的发展，研究人员将永磁体引入球 形电机，大大减小了球形电机的体积，提高了球机磁能积、运行效率和可控性。由此，永磁球形电机在过 去几十年中成为国内外学者广泛研究的课题。

目前，为了降低分析的复杂性，国内外永磁式球形电机的定子轭、定子齿和转子轭通常采用非铁磁材 料，这种情况下气隙磁通密度与电磁转矩较小，导致球形电机的能量利用率较低，而当三者都为铁磁材料 时，磁路随着转子位置的变化而变化，使得齿槽转矩分析变得更加复杂。本研究本着增大永磁式球形电机 电磁转矩的目的，将球形电机的定子轭、转子轭、定子齿均采用铁磁材料。由于球形电机结构的复杂性， 采用有限元法对齿槽转矩进行分析计算量大且耗时长；而且永磁球形电机结构参数发生改变时，还要重新 仿真。因此，有限元法不适用于在电机设计初期和优化阶段。本研究选择采用等效磁路法可快速准确的计 算齿槽转矩，并将其模型应用于球形电机控制中，有望通过改变输入电流对电磁转矩进行补偿达到抑制转 矩脉动和噪声的效果。

发明内容

本发明的目标是克服球形电机增大电磁转矩时产生齿槽转矩使控制发生误差的弊端,提出一种转子在 任意位置时铁制壳、齿球形电机的齿槽转矩的快速分析方法。本发明采用离散数值分析法并使用等效磁路 和侧边力相结合的方法分析永磁球形电机齿槽转矩,具体方案如下：

一种基于等效磁路法的永磁球形电机齿槽转矩分析方法，包括下列步骤：

第一步：计算单根磁通管产生的气隙磁密：根据单极多齿永磁球形电机结构，采用离散化数值分析法 建立永磁球形电机齿槽转矩模型，不考虑定子绕组，选取永磁体作为永磁球形电机的唯一磁动势源，将磁 极按照球坐标进行离散划分，按照经度θ方向将磁极所占球坐标夹角θ1分为N_i份，按照纬度方向将2π分 为N_j份，计算各根磁通管初始球坐标为：

其中r_r为磁极半径，R_r为转子磁极外径，为磁通管初始球坐标，(x₀,y₀,z₀)为磁通管初始直角坐标， 下标i，j为磁通管标号，N⁺表示正整数，设定永磁体上磁力线分布均匀，根据磁通管流入位置不同，将其 分为四种情况：第一种为磁通管流入定子铁齿侧边，此时磁通管产生侧边力；第二种为磁通管流入定子轭 部，此时磁通管不产生侧边力；第三种为磁通管流入定子齿底部，此时磁通管不产生侧边力；第四种为磁 通管流入转子球，此时磁通管不产生侧边力；由以上四种情况求得不同位置磁通管的路径长度，在此基础 上求得气隙磁密B为其中μ为气隙磁导率，w为气隙中磁通路径长度，H为磁场强度，l_pm为磁极高度；

第二步：计算磁通管对定子齿产生的齿槽转矩：由于磁通管流入定子铁齿侧边才产生侧边力及齿槽转 矩，计算该种情况下的齿槽转矩，首先由侧边力法计算单根磁通管产生的侧边力F为： 其中△S为磁通管射出磁极球面的微元面积；