使用磁共振的无芯无磁电机的设计

奠定现代工业基础的电机，在自动驾驶、机床、风扇、冰箱、泵、工业设备甚至玩具中都有广泛的应用。在过去的一个世纪里，各种电动机已经被开发出来，如感应电动机（IMs）和永磁同步电动机（PMSMs）。感应电机利用电磁感应，从定子绕组的磁场中获得转子电流。铁芯总是被用于定子或转子上，以提高输出扭矩，因为没有任何铁芯的IMs由于磁场密度相当有限，理论上会表现不佳。对于PMSMs，使用永久磁铁提供了一个新的解决方案。

通过永磁体和定子绕组产生的磁场的相互作用，可以产生电磁扭矩。然而，永久磁铁很昂贵，并且在高温下会出现退磁现象。没有永久磁铁和铁芯，PMSM就不能再工作。本文提出了使用少线功率传输（WPT），试图配置一个没有任何铁芯或永久磁铁的电动机。由于节省空间、方便和可靠等优点，WPT方法是传统的基于电线的电力输送方案的一个有前途的替代方案。

大量的研究人员一直在研究和改进使用MRC技术的WPT系统的不同应用，如电动车充电器和生物医学植入物。在使用MRC技术的WPT系统中，当发射器和接收器处于强耦合状态时，会出现分频现象。已经进行了大量的研究工作来研究分频现象，从两线圈WPT系统,到三线圈WPT系统，再到四线圈WPT系统。

分频现象涉及传输功率的频率特性，而最大的系统效率总是在自然谐振频率。大多数对分频现象的研究都是从传输功率的角度进行的。一些研究人员采用了频率跟踪方法，即激励频率以不同的耦合系数变化，以保持最佳的功率传输。其他研究人员提出了一些分频抑制方法，如调整负载电阻和使用非相同的谐振线圈，以获得接收器一侧的均匀功率。使用MRC技术的WPT系统的主要应用是在静止状态下传输功率。

此外，一种近场感应式通信通过操纵分频现象，已经开发出了WPT方案。通过对分频现象的操纵，本文展示了使用MRC技术的WPT系统在电动机中的潜在应用。本文介绍了一种新型的磁共振耦合器（MRCM），没有任何铁或永久磁铁芯。使用MRC技术的WPT系统的应用是所提出的MRCM的关键特征。电机由使用MRC技术的WPT系统提供动力，提议的MRCM将通过使用MRC技术的WPT系统开发输出扭矩，其中分频现象不会被抑制，而是被利用。通过操纵分频现象的相位特性，通过操纵激励频率，可以实现不同方向的大扭矩。

杆对分析

如图所示，一个单极对由两个具有串联谐振拓扑结构的谐振电路组成。定子和转子铁芯的材料是强化塑料。发射器谐振电路被称为定子谐振电路，它可以对提供的正弦波电压产生交变磁场，而再接收器谐振电路被作为转子谐振电路，它是一个独立的封闭电路。定子谐振电路和转子谐振电路被配置为具有相同的自然频率ω（或f）。

所有定子或转子绕组应配置相同的几何形状和对称性，以避免末端绕组的不利影响。那么，一个极对的等效电路如上图所示。利用电路理论，发射器谐振电路的趣味电流相位I1，接收器谐振电路的基本电流相位I2，以及输入有效电压V、定子和转子谐振电路中的有效值电流I1和I2。

对于任何WPT系统，有必要选择一个合适的自然频率f0。采用更高的自然频率f0，其优点包括更紧凑、更高的质量系数和更长的传输距离，但需要更昂贵的驱动和控制系统。由于定子和转子谐振电路是特殊的振荡电路，对于每个有效极对来说，启动振荡的过程是必不可少的。

如上图所示，在一个有效极对的谐振电路中，需要一定数量的周期来实现完整的振荡。由于周期与自然频率f0成反比，因此自然频率的大小决定了启动振荡过程的持续时间，并影响到拟议的MRCM的性能。为了使转子以一定的速度旋转，必须选择一个合适的自然频率，以保证定子和转子的谐振电路能在短时间内实现完全振荡，从而产生最大的输出电磁力。

例如，如果在5°的旋转范围内，完全的振荡可以在一个周期内完成，速度和自然频率之间的关系如上图所示，这可以作为选择自然频率f0的指导方针。

功率因素（PF）被定义为实际功率与视在功率的比率。对于所有的电动机负载来说，统一的PF值是最好的，因为更高的PF值表明成本更低，效率更高。大多数传统的电动机，如IMs和PMSMs，具有相对较差的PF（<0.9），尽管安装了电容器来补偿铜绕组的电感。

当应用较低的谐振分裂频率fL和较高的谐振分裂频率fH时，PF的变化可以被描述为上图所示。较小的R2和较小的角位移绝对值θ对应于所提出的MRCM的较高PF。由于R2通常较小，所提出的MRCM的功率因数接近于1。

从极对的角度来看，基本的工作原理说明如下。如图所示，当转子谐振电路接近定子谐振电路时，对于不同的角位移θ，定子谐振电路将与低谐振的轨迹一起供电。分割频率fL，以产生可能的最大力。在这种情况下，由于I1和I2之间的相位差δ为0o，定子和转子的磁极将具有相同的极性。因此，在定子谐振电路和相邻的转子谐振电路之间会产生一个吸引力。

此外，当转子谐振电路离开定子谐振电路时，对于不同的角位移θ，定子谐振电路将以高谐振分裂频率fH的轨迹供电，以产生可能的最大力。在这种情况下，由于I1和I2之间的相位差δ为180o，定子和转子的极性将相反。因此，它们之间会产生一个排斥力。在这些吸引力和排斥力的协调下，转子可以被驱动旋转，并作为一个电动机运行。此外，还可以制定不同的极数和极数比的安排基于这样一个极点对。

设计指南和验证

极对是一个完整的MRCM的基本元素，不同的极比安排可以在极对的基础上进一步优化。因此，本节中显示的仿真结果是从单一极对的角度来看的。

上图展示了基本的设计程序。所提出的MRCM已经在MATLAB、PSIM和ANSYSMaxwell中使用计算机模拟进行了全面的验证。

如上图所示，首先在ANSYSMaxwell中建立了一个二维杆对模型。

结构尺寸和技术参数结合实际情况列于表一。

用二维模型模拟了定子和转子绕组在不同角位移θ下的自感和互感。然后计算出耦合系数k，不同角位移θ下耦合系数k的拟合曲线如图所示。

结合图中耦合系数k的仿真结果，可以计算出对应于不同角度放置θ的较低谐振分裂频率fL和较高谐振分裂频率fH的轨迹，并在上图中描绘出来。当激励频率遵循较低的谐振分裂频率fL和较高的谐振分裂频率的轨迹时，如图所示，可以得到不同角位移θ对应的衰减系数γ的大小。

如上图所示，当采用较低的谐振分频fL时，衰减系数γ约为1，而采用较高的谐振分频fH时，衰减系数γ约为1。图中表明，由于转子谐振电路中的电阻值较小，使用较低的谐振分裂频率fL和较高的谐振分裂频率fH作为激励频率，可以实现可能的最大吸引力和排斥力。

通过表I中的R2，可以从模拟中得到不同角位移θ对应的PF大小，如上图所示。对于拟议的MRCM，在所有角位移θ下都可以保持统一的功率因数。

然后在PSIM中对位移θ进行模拟。如图所示，蓝色曲线是有效值电流I1，而红色曲线是有效值电流I2。当使用较低的谐振分裂频率fL作为激励频率时，有效值电流I1的大小要大于有效值电流I2。

然而，当使用较高的谐振分裂频率fH时，作为激励频率，有效值电流I1的大小总是比有效值电流I2的大。可能的原因是容性和感性阻抗的变化率随频率变化而不同。平均转矩的大小不仅由衰减系数γ和有效值电流I1和I2的大小决定，而且由定子谐振电路和转子谐振电路的相对位置决定。

如图所示，在ANSYSMaxwell中进一步模拟了不同角位移θ所对应的平均扭矩的大小。图中显示，当定子和转子谐振电路对齐时，即角位移θ为0o，不会产生扭矩。此外，最大吸引力是在角位移θ为8o时产生的，而最大排斥力也是在角位移θ为8o时产生的。对于拟议的MRCM中的一个极对，在输入功率约为60瓦的情况下，平均扭矩的最大值约为400mNm。一对磁极的模拟扭矩纹波的大小是相对较大的。然而，通过对多极MRCM中的极点排列和控制策略的仔细操作，整体扭矩纹波可以小得多。

为了研究所提出的MRCM的瞬态过程，这里预设了一个角位移为5o的具体例子。使用表I中列出的参数，从PSIM中获得仿真结果。如上图所示，使用较低的谐振分裂频率fL或较高的谐振分裂频率fH，定子和转子谐振电路的电流i1（t）和i2（t）可以达到稳定状态，安培值约为16A。

此外，由于达到稳定状态的总周期数是恒定的，使用较高的谐振分裂频率fH比使用较低的谐振分裂频率fL可以在更短的时间内达到完全共振。由于达到完全谐振需要几十个周期，对于不同的转速，必须选择一个自然频率f，以保证定子和转子谐振回路有足够的时间来实现完全谐振。换句话说，更高的转速需要更高的设计自然频率f，以保持完全的谐振。

我们可以清楚地看到，使用较低的共振分裂频率fL在i1（t）和i2（t）之间提供大约0o的相位差δ，而使用较高的共振分裂频率fL在i1（t）和i2（t）之间提供大约180o的相位差δ。根据电流i1（t）和i2（t）的大小，在ANSYSMaxwell中进行瞬时模拟，以进行扭矩估计。

上图展示了模拟的结果。当使用较低的共振分裂频率fL，角位移θ为5o时的扭矩。经计算，平均扭矩为344mNm。此外，当一个较高的谐振在角位移θ为5o的情况下，使用分裂频率fH，计算出的平均扭矩为331mNm，如图所示。这些平均扭矩值与数据相同。

根据表I中详述的设计参数，在ANSYSMaxwell中建立了一个由10个定子极和8个转子极组成的MRCM仿真模型。

如上图所示，10个定子磁极被分为5相（A、B、C、D和E），而8个转子磁极被分为4相（W、X、Y、Z）。通过提议的磁极排列，励磁顺序被很好地操纵，这样每个定子相将有9o旋转角的工作范围，相应的角位移θ对吸引力来说是12o，对排斥力来说是3o。有效定子相的顺序是B-A-E-D-C的重复，而有效转子相的顺序是X-W-Z-Y的重复。然而，有效定子相和转子相将有不同的组合，这取决于转子的位置。

此外，如表二所示，在每个时间瞬间，只有两个不相邻的定子相通电，以产生旋转力，其中一个定子相使用较高的谐振分裂频率fH，产生排斥力，另一个定子相使用较低的谐振分裂频率产生吸引力。

具体来说，如定子相A所示，当旋转角度为0o时，定子相B和转子相X之间的角位移θ为9o，特定的较高谐振分裂频率fH，用于为定子相B供电以产生排斥力。定子相E和转子相Z之间的角位移θ为9o，一个特定的较低的共振分裂频率fL，用于给定子相位E供电，以产生吸引力。

它没有任何铁质或永久磁网芯。作为所提出的MRCM的一个基本的和重要的部分，在共振拓扑结构的选择、力的大小和方向以及分频现象方面详细分析了极对；此外，从极对的角度发展了基本的操作原理。