双联磁差电机载流畸变相干抑制法

技术领域

本发明公开一种干涉法抑制电动机载流畸变的技术方案，尤其涉及磁差电机。

背景技术

磁差电机是一种新原理电机，理论成熟于中国专利申请CN2019100076075、CN2019112854439和CN2020107922369，利用了多路空间规范化动态磁通的和差变化来实现电机功能，并通过磁极和电枢的连对双排提升电机能效。

磁差电机由相对运动的两部分构成：主体结构是所有电枢和磁极相间等距依次排列在磁轭上，且都是连对双排，即同名两个磁极后紧接着排列两个异名磁极，电枢是连续两个缠绕取向相同的后面仅接着是两个缠绕取向相反的。另一部是与主体分离可相对运动的软磁材料，横跨磁极和电枢开放端面，称同步结构，其厚度周期变化的，空间周期为2倍相邻磁极间距，要求最薄处掠过磁极时达能到近似饱和，量值不大于磁极磁化磁通的一半。电机磁路循环是，磁通从磁极发出即进入同步结构，在其内部岔开成多路后就返回主体结构，形成了闭循环、多通路、定域、定向、变容等十分理想的特性，使得电机不换向，无漏磁，且所有电枢可以同时同步工作，在高速高频下功率和扭矩会增大，能适用极端电路和运动工况，其依赖调频调速，使用方法参照交流单相同步和步进电机。

磁差电机所有电枢都是相邻两个磁极的磁通支路共享的，相邻的两个同名磁极中间的电枢是和磁通电枢，相邻的两个异名磁极中间是差磁通电枢。理论上，所有电枢内穿过的磁通都是同时同步地变大变小，量值大小也相同，所以全部电枢都可以同时工作，无论电枢数量多少。

磁差电机的电枢是导电体缠绕在磁轭凸柱上，一般匝数较多，感抗较大，而如果想获得更大功率或扭矩，将串并联起较多的电枢，载流畸变将愈加严重。这种畸变是致命有害的，不仅破坏力矩平稳，而且造成能效下降，还限制级联电枢数量，也就是约束了磁差电机功率和力矩拓展上限。这损害了磁差电机步进运动的精确度，限制了大功率重载场景使用，浪费了能源，危害对磁差电机的推广利用。

发明内容

由于所有电枢理论上应磁通等量地同步变化，磁差电机的电枢连对双排的布局是最佳方案，所有电枢都应该是同步响应。但事实上，由于磁导空间极化造成感应电动势脉冲宽度变窄，和工艺及材料造成磁滞磁损的综合作用，使得磁差电机的和、差磁通两种电枢的响应存在明显差异，所有相邻电枢之间都会存在响应偏差。这个偏差与电磁设计和制造工艺密切相关，不是理论上必然存在的。若独立考量所有和磁通电枢或所有差磁通电枢，会发现它们的感应电动势通常不是完美的简谐波，是同频、等波长和固定相差的相干波，那么电枢连对双排的结果就是合成了干涉波。实测这个干涉波近似拖尾偏轴的简谐波，拖尾是受结构材料限制的相消部分，属于必需的损耗，剩下的简谐波是相长部分，所以磁差电机必然是单相交流电机，尽管这里只是近似简谐波。

另一方面，磁差电机的磁路是空间规范的，磁极和电枢的空间位置是不能改变的，磁路的协同工作的同步性不容挑战，通过良好的电磁设计，能保证磁极和电枢之间有适当距离间距，来消弭减缓磁滞和电枢反应带来的磁路不稳定性。但当载流占空比大幅度偏离50%时，场强响应空间分化加大，分布的空间周期不再与同步结构空间尺寸严格对应，会破坏了磁路储能释放的对称性，加剧了力矩振荡，压低了电机能效。

就是说，磁差电机的载流畸变，不会影响磁路同步特性，但会影响能效和力矩。尤其磁差电机作为电动机的时候，反电动势作为于驱动电流的畸变量，随着电枢级联越多，叠加的畸变越大，偏轴作用使得驱动电流占空比偏离50%越大，那么磁差电机串并级联电枢越多能效就越低。所以讨论电动势叠加，没有太大意义，寻求抑制载流畸变的方法才能尽可能扩展电机功率，而感生电动势是干涉合成波给了理论探讨可能。

和差电枢产生了感应电动势干涉，就意味着对磁导空间极化做出了精细响应。磁导空间极化本身就是描述电磁场空间拓扑分布的唯象表述，电磁作用结果应该反映其内电磁结构，反过来其内电磁拓扑结影响电磁作用结果。磁差电机采用了空间规范化多通磁路，磁极和电枢又是连对双排，电磁空间拓扑复杂又特殊，自然会有非常性质。

经实际检测，磁差电机每种电枢拓扑结构都固定对应着一种感生电动势波形。这从实验上有力地证明了把磁差电机的感应电动势理解成干涉合成波是正确的。电枢因为连对双排，缠绕取向有四种，拓扑就有四种：一对缠绕取向完全相反的对偶拓扑，另一对是这对的镜像，实际上只是偏移一个相邻电枢或磁极间距，所以与前面一对拓扑要么和磁通电枢相同，要么差磁通相同，缠绕取向总是相同一半相反。同一磁极排序下和同一相对运动参数下，这四种拓扑能产生四种相位电动势，都近似拖尾偏轴谐波，以谐波的峰谷为轴两两对称，是相干波列，所以这四种拓扑彼此是共轭的。这种情况导致磁差电机的反接和反向运动能衍生更多共轭电动势，各种共轭变换是谐波部分随之翻转，拖尾部分则随运动方向前后转移，所以反向运动是不等于反接线顺序的，反向运动偏移原像一个相差，反接线则与原像对偶。

可以看出，磁差电机是极性装置，接线拥有正反极，电枢拓扑结构直接影响电磁作用结果，有可实物化的镜像或共轭像。样机证明，在相同磁极序列、相同载流下，电枢拓扑不同的磁差电机力矩响应不同，主要指的是方向差异，每种拓扑对正反向载流响应也不同。

在电枢所有四种拓扑中，缠绕取向完全相反的对偶拓扑，能产生完全相反的感应电动势，特指同相位电势相反，可以用来抑制同向运动的双联磁差电机载流畸变。双联磁差电机必须一体化才能像单个一样地简便运行，所以得同时满足同向运动、力矩同向且响应同步三条苛刻要求，筛选包括反接线和反向运动造成的所有共轭电动势，只有缠绕取向完全相反即拓扑对偶的电枢满足。具有重大意义的是，抑制载流畸变的反向电动势来自对偶拓扑电枢的同向运动，这在其他电机中是不可能的。

图1磁差电机驱动电动势和反向电动势作用示意图，图中黑实线代表驱动电动势，间断线和点线代表一对共轭反向的反电动势。尽管反电动势依然和驱动电动势同频率和同波长，但因为偏轴和振幅较小，共轭反电动势的谐波部分只能落在驱动电动势的峰或谷里，具体状况和运行方向有关。

图2是共用同步结构轨道的双联直线磁差电机示意图，图中字母表示磁极，磁极和螺线管取向的排组合仅表示一种合理拓扑结构，另一种合理拓扑是图中的所有电枢都平移一个磁极间距。之所以拓扑种类减半，是因为足够长度下，调换全部磁极和电枢平移2个磁极间距拓扑结构并没有变化，而磁极或电枢平移一个磁极间距也是拓扑等效的。不过有限长度依然可以看作四种拓扑，变更电枢正反极定义即可，事实上，双联电机是为了抑制载流畸变，分类更多拓扑没有意义。

上面分析了主体结构电枢拓扑对偶能在电路上抑制畸变，下面讲述同步结构对应运行的磁路特性。

分析磁差电机的运行机制，会发现同步结构上最宽和最窄的两处是适配磁通空间方位上疏密变化的两个锚点。据空间磁导极化，同步结构上磁场导通能力最强和最差的地方被动调制总量额定的磁通，所以这俩磁导最大极化的两点是互斥的锚点，不可能同时成为最佳锚定态，总是时间上岔开的，这也是磁差电机力矩波动的原因。最大磁导率锚点自然是倾向移动到需求高通量磁路循环的地方，即磁通循环路径可选数量最少的地方，最佳锚定态是同步结构最宽处位于异名磁极中间，尤其两侧分别有四个同名端的时候。最小磁导率即最大磁阻率的锚点，是同步结构最窄处，受到各种磁路排斥，总是被排挤到有更多可选磁通路径的磁极身边，因为可选磁路选择较少的磁极磁通循环“压力”更大。一个载流周期内，同步结构在这两个锚点间切换工作，无论同步结构自身有多少空间周期，都是完全同时同步地轮换，但力矩方向不会切换。

双联磁差电机正是利用了上述互斥的两个锚点互斥，可以在两条磁通轨道上同时联机工作。双联磁差电机共用一个同步结构，或使用完全一样且相位布局相同、相对静止的两份软磁材料做同步结构，主体结构变成了相对静止且平行的两份，这时的主体结构称为磁轨，两磁轨间保持距适当距离以防工作电磁场相互干扰。双联磁差电机的这两条独立磁轨，磁极序列完全一样，电枢缠绕取向完全反向对偶，磁极和电枢拓扑依然保持连对双排。两磁轨上电枢互联方式包括并联和串联，互联的基础单位是单个磁轨上缠绕取向一样的一对相邻电枢。所有电枢对之间的接线顺序须得保证，在同一载流下，缠绕取向相同的电枢产生磁场极性相同，缠绕取向相反的相反。工作时，两磁轨的运行锚点相反，但因为电枢也是拓扑对偶，运动力矩依然保持了同向，犹如一对反牙螺杆反向旋转合力推拉一块滑块。因为有不同磁导极值锚点同时工作，双联磁差电机力矩将更加平稳。

可以看到，双联磁差电动机不仅可以消除掉反电动势畸变，运行力矩也更加平稳，拥有更加良好的电磁学和力学特性。这样的双联电动机，在级联更多电枢，或大幅增加功率与力矩时，不会向驱动控制电路引入畸变污染，不增加控制难度，步进运行也将更加平稳和精确，加上磁差电机本身结构简单可靠、控制方便、节能高效，能适应极端电路和运动工况，应用前景光明。