[发明专利]优化Halbach阵列表面插入式永磁电机的方法

权利要求书

1.一种优化Halbach阵列表面插入式永磁电机的方法，其特征在于：通过优化Halbach阵列表面插入式永磁电机的各段磁极极弧系数和磁化角度的组合以获取最优感应电动势；

所述的Halbach阵列表面插入式永磁电机为奇数段Halbach阵列表面插入式永磁电机或者偶数段Halbach阵列表面插入式永磁电机；

所述的Halbach阵列表面插入式的永磁电机具有最优极弧系数和磁化角组合的Halbach阵列，包括转子以及与转子对应的定子，当为偶数段Halbach阵列表面插入式永磁电机时，所述转子由偶数段Halbach阵列和嵌入铁构成，偶数段阵列由n对两两对称的永磁构成，对称轴为各对磁极的几何中心，各对边磁的磁化角θ_mn都为锐角，N极中心对称轴左侧永磁的磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角；N极中心对称轴右侧永磁的磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极中心对称轴左侧永磁的磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极中心对称轴右侧永磁的磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角，转子与对应的定子配合构成具有最优极弧系数和磁化角组合的偶数段Halbach阵列永磁电机；当为奇数段Halbach阵列表面插入式永磁电机时，所述转子由奇数段Halbach阵列和嵌入铁构成，奇数段阵列由一段中心磁极和n对两两对称的永磁构成，对称轴为中心磁极的几何中心；中心磁极的磁化方式平行磁化，每对边磁的磁化角θ_mn都为锐角，边磁磁化角定义与偶数阵列相同，转子与对应的定子配合构成具有最优极弧系数和磁化角的奇数段Halbach插入式永磁电机；

每段磁极的极弧系数以及对应的磁化角由解析法获得：首先通过解析方法得到永磁电机空载径向气隙磁密的函数表达式，然后通过空载径向气隙磁密计算获得感应电动势的函数表达式，通过将感应电动势的函数表达式对磁化角及各段极弧系数数值进行求导以获取感应电动势最大时，各段极弧系数和磁化角的最优组合值；

当为偶数段Halbach阵列表面插入式永磁电机时，所述的解析法具体过程如下：

一个电周期内具有由n对边磁极构成的偶数段Halbach阵列的磁化强度，写成分段函数如下：

……

……

……

……

式中：p为极对数，Br为永磁体剩磁，θ_mn为每段永磁的磁化角，θ为转子的位置角，α₀为中间极弧系数，α_n为第1～n对边磁的总极弧系数，α_r为除插入铁外的极弧，γ_n为第n对边磁的中心偏移角，其数值为μ₀为真空的磁导率；

对M_r和M_θ分别进行傅里叶分解，得到

根据磁场的拉普拉斯方程、准泊松方程以及边界条件，得到无槽电机空载径向气隙磁密为：

式中：ρ为某点与圆心的距离，R_s为定子内半径，R_m为永磁的外半径，R_r为转子外半径，μ₀为真空的磁导率，μ_r为永磁的相对磁导率，A_uI由以下矩阵方程算得：

M_v＝M_ρv+vpM_θv

(1-14)

插入式永磁电机的空载感应电动势由磁通和法拉第电磁感应定律算出每相每个线圈的相感应电动势后叠加算得：

EMF_ph＝dψ/dt (1-16)

EMF_A＝EMF_A1+EMF_A2+…+EMF_Aj (1-17)

其中，W_c为线圈匝数，L为电机轴向长度，θ_c为线圈节距角，ω为电机转速的角速度；

再利用函数求极值的方法，建立方程组，得到最优的极弧系数和磁化角组合；对于偶数段Halbach阵列的插入式永磁电机，其最优化方程为：

其中，EMF_A1为感应电动势基波幅值。

2.根据权利要求1所述的一种优化Halbach阵列表面插入式永磁电机的方法，其特征在于：当为奇数段Halbach阵列表面插入式永磁电机时，所述的解析法具体过程如下：

一个电周期内具有由一段中心磁极和n对边磁极构成的奇数段Halbach阵列的磁化强度，写成分段函数如下：

……

……

……

……

式中：p为极对数，Br为永磁体剩磁，θ_mn为每段永磁的磁化角，θ为转子的位置角，α₀为中间极弧系数，α_n为第1～n对边磁的总极弧系数，α_r为除插入铁外的极弧，γ_n为第n对边磁的中心偏移角，其数值为μ₀为真空的磁导率；

对M_r和M_θ分别进行傅里叶分解，得到

对插入式永磁电机的气隙磁密和感应电动势部分的计算与偶数阵列完全相同；

再利用函数求极值的方法，建立方程组，即可得到最优的极弧系数和磁化角组合，对于奇数段Halbach阵列的插入式永磁电机，其最优化方程为：

其中，EMF_A1为感应电动势基波幅值。