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CN107171520B - 轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机及其控制方法 - Google Patents

轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机及其控制方法，涉及高速电机技术领域。该电机由两组磁极相关的三相6/4定转子凸极构成复合结构，包括两组定子铁芯、两组转子铁芯、转轴、电枢绕组、机壳、导磁材料、永磁体和永磁体保护套，两组转子铁芯、导磁材料及永磁体构成永磁辅助磁阻复合转子，随转轴一同旋转。该电机采用无位置传感器的驱动控制系统进行控制，采用电流、速度双闭环结构，内环为电流环，外环为速度环。本发明采用永磁辅助磁阻复合转子，提高电机效率和功率因数的同时能减小励磁电流和励磁损耗及功率变换器的容量，采用无位置传感器控制方法，消除位置传感器存在的复杂性、减小系统成本、提高控制系统可靠性及坚固性。

Description

轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机及其控制方法
技术领域
本发明涉及高速电机技术领域，尤其涉及一种轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机及其控制方法。
背景技术
现有各类电机中，成功实现高速化的主要有高速感应电机、高速永磁电机、高速磁阻电机。高速感应电机转子结构简单、转动惯量低，并能在高温和高速的条件下长时间运行。但缺点是转子损耗大、效率低、功率因数较低、叠片转子端环易损坏、实心转子的涡流损耗大等；高速永磁电机具有效率和功率因数高及转速范围大等优点。但缺点是电机成本高、永磁体抗拉强度小、面贴式永磁电机需要保护套、加工工艺较复杂、永磁体中会产生涡流损耗，从而引起高温易发生不可逆退磁以及转子冷却困难等；高速磁阻电机以结构简单、坚固耐用、成本低廉以及耐高温等优点而备受瞩目。但缺点是运行效率较低、噪声大、转矩波动和转子机械振动大、转子风摩耗大。这三种电机结构不同、性能各异、各有优势，但又各自存在不足。
在控制方法方面，传统的电机控制系统都依赖于转子位置传感器的位置闭环系统，位置传感器不仅削弱了电机结构简单的优势，而且降低了系统高速运行的可靠性，又给安装、调试带来了很大不便，难以实现电机的高速运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机及其控制方法，采用永磁辅助磁阻复合转子，从电机本体结构上解决高速磁阻电机和高速永磁电机的关键技术难题，提高电机的效率和功率因数，同时也能减小励磁电流和励磁损耗及功率变换器的容量等；采用无位置传感器控制方法，消除位置传感器存在的复杂性、减小系统的成本、提高控制系统的可靠性及坚固性。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机，由两组磁极相关的三相6/4定转子凸极构成复合结构，包括两组定子铁芯、两组转子铁芯、转轴、电枢绕组、机壳、导磁材料、永磁体和永磁体保护套；所述永磁体为圆环形，与转轴同轴且固定于转轴中央，永磁体外部设有永磁体保护套，永磁体两侧设有嵌套于转轴表面的导磁材料，所述导磁材料与转轴固定；所述两组定转子结构平行排列且完全对称于电机转轴的中间垂直面；两组转子铁芯分别固定在永磁体两侧的导磁材料上，且均与永磁体之间有一定距离，两组转子铁芯、导磁材料及永磁体构成永磁辅助磁阻复合转子，随转轴一同旋转；两组定子铁芯分别设置于两组转子铁芯外部，且定子铁芯和转子铁芯之间隔有一定气隙，两组定转子在永磁体两侧形成对称定转子组；所述机壳设于两组定子外部，且与两组定子铁芯固定；每个定子凸极上集中缠绕电枢绕组，每一侧电枢绕组均匀分为A、B、C三相，一侧的A相电枢绕组与另一侧的A相电枢绕组串联合成一相，B、C相的设置与A相相同；单侧电枢绕组是通过反向串联连成一相，径向对齐的一对凸极上的电枢绕组分别构成A-A’、B-B’和C-C’；当电机某相定子电枢绕组通电时，就会在电机左右两端形成与永磁体相同的N极和S极磁场。
进一步地，电机的定子和转子均由硅钢片叠压而成。
进一步地，定子极弧为45°，转子极弧为45°。
另一方面，本发明还提供一种上述轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机的控制方法，该方法采用无位置传感器的驱动控制系统进行电机控制，驱动控制系统采用电流、速度双闭环结构，其中内环为电流环，外环为速度环；电机反馈的电压Uph和电流Iph通过磁链观测计算得到真实磁链，再经过转子位置观测器得到转子位置角θest，通过转子位置角θest确定导通相为A相、B相或C相，当转子位置角θest大于给定触发角θref时，电机执行换相操作，否则返回重新计算转子位置角θest；同时转子位置角经过速度估算得到反馈速度v′，将反馈速度v′与电机给定速度v比较，得到速度误差信号ev，作为速度调节器的输入，通过增量式PI计算得到需要调节的给定电流i*；将需调节的给定电流i*与电机反的电流Iph作比较，得到电流误差信号ei，作为电流调节器的输入，经计算得到需调节的给定PWM波信号；将PWM波信号输入IGBT功率变换电路，控制IGBT导通与关断，完成电机三相绕组的有序供电及脉宽调制，实现电机无位置传感器控制。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机及其控制方法，具有如下优势：
(1)本发明提供的轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机彻底解决了面贴式高速永磁电机转子若干关键技术难题：第一，提出的永磁辅助磁阻复合转子将永磁体固定在电机轴中间位置，气隙磁场谐波安全，不会在永磁体内产生任何涡流损耗，亦不会引起高温失磁风险；第二，永磁体随转轴一起转动，与转子外径处相比转轴线速度较低，大大降低了对永磁体保护的要求，完全克服了永磁体保护套加工工艺复杂及转子散热困难等难题，特别是不会增大等效气隙，从而不会影响电机性能；
(2)本发明提供的电机，永磁辅助磁阻复合转子结构兼具高速永磁电机、高速磁阻电机两类高速电机优点的同时，提高了电机的功率密度；该电机定转子均为简单坚固的叠片结构，电机结构可靠，对高转速及高温环境具有较好的适应性；采用永磁辅助磁阻可提高电机的效率和功率因数，同时也能减小励磁电流和励磁损耗及功率变换器的容量；
(3)本发明提供的电机，轴向永磁辅助径向磁阻的复合方式既有别于传统的永磁辅助磁阻方式，亦有别于传统电机的磁通走向，有效提高永磁材料的利用率又减小其用量，降低了电机损耗，提高了效率；将永磁体放在轴向中间位置，不仅简化了定转子结构，而且通过转子、定子、机壳形成轴向磁通，与传统的永磁辅助磁阻相比，轴向磁通是不交变的，大大减小了由磁通交变引起的铁芯损耗，进一步提高输出功率及电机性能的同时，降低了电机温升；
(4)本发明提供的电机无位置传感器控制方法，为了消除位置传感器对控制系统的影响，对轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机驱动控制系统装置进行无位置传感器设计，消除了位置传感器存在的复杂性、减小了系统的成本、提高了控制系统的可靠性及坚固性，更加扩展了轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机的应用场合。
附图说明
图1为本发明实施例提供的轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机结构示意图；
图2为本发明实施例提供的复合转子局部结构图；
图3为本发明实施例提供的复合转子结构图；
图4为本发明实施例提供的轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机机壳内部结构的主视图；
图5为图4的左视图；
图6为本发明实施例提供的轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机二维磁路示意图；
图7为本发明实施例提供的无位置传感器控制原理框图。
图8为本发明实施例提供的电机换相控制流程图。
图9为本发明实施例提供的IGBT功率变换电路图。
图中：1、定子铁芯；2、转子铁芯；3、导磁材料；4、转轴；5、电枢绕组；6、机壳；7、永磁体；8、永磁体保护套。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机结构示意图如图1所示，包括电机定子铁芯1、转子铁芯2、导磁材料3、转轴4、电枢绕组5、机壳6、永磁体7和永磁体保护套8。两组定子铁芯1分别设置于两组转子铁芯2外部，机壳6固定设于两组定子铁芯1外部。永磁体7为圆环形，与转轴4同轴且固定于转轴中央，永磁体7上部设置有永磁体保护套8，永磁体7两侧设置有嵌套于转轴表面的导磁材料3，导磁材料3与转轴4固定，如图2为电机复合转子结构局部图。两组转子铁芯2分别固定在永磁体7两侧的导磁材料3上，且与永磁体7之间设有一定空间距离，两组转子铁芯2、导磁材料3及永磁体7构成永磁辅助磁阻复合转子结构随转轴一同旋转，复合转子结构如图3所示。两组定转子结构平行排列且完全对称于电机转轴4的中间垂直面，且定子铁芯1和转子铁芯2之间隔有0.6mm的气隙，两组定、转子在永磁体7两侧形成对称定、转子组，如图4所示。
每组定子铁芯1沿圆周均匀分布6个凸极(即定子齿)，每组转子铁芯2上均匀分布有4个凸极(即转子齿)，定子极弧为45°，转子极弧为45°。每个定子上集中缠绕电枢绕组5，电机每一侧电枢绕组5合理布局均匀分为A、B、C三相，如图5所示。A相电枢绕组与另一侧的A相绕组串联起来合成一相，B、C相的设置与A相相同，单侧电枢绕组是通过反向串联连成一相，径向对齐的一对凸极定子绕组构成A-A’、B-B’、C-C’。当电机某相电枢绕组5通电时，就会在电机左右两侧形成与永磁体相同的轴向N极和S极磁场，如图6所示。永磁体产生轴向辅助磁通，与电枢磁通一并经转轴从左侧转子穿过定子齿经由机壳到右侧定子齿再到转子，最后形成闭合磁通路径，磁通在一端离开转子而在另一端进入。
轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机的控制方法，采用无位置传感器的驱动控制系统进行电机控制，其控制原理如图7所示，无位置传感器的驱动控制系统是电流、速度双闭环结构，其中内环为电流环，外环为速度环。电机反馈的电压Uph和电流Iph通过磁链观测计算得到真实磁链，再经过转子位置观测器得到转子位置角θest。利用转子位置角θest完成换相控制，如图8所示，通过转子位置角θest确定导通相为A相、B相或C相，当转子位置角θest大于给定触发角θref时，即θest＞θref，电机执行换相操作，否则返回重新计算真实磁链，进一步重新得到转子位置角θest。同时转子位置角经过速度估算得到反馈速度v′，将反馈速度v′与电机给定速度v比较，得到速度误差信号ev，误差信号ev作为速度调节器(PI调节器)的输入，通过增量式PI计算得到需要调节的给定电流i*，将需调节给定电流值i*与电机反馈得到的电流Iph作比较，得到的电流误差信号ei作为电流调节器的输入，经计算得到需调节给定PWM波信号。将PWM波信号输入给IGBT功率变换电路，如图9所示，一个PWM波信号有两路脉冲输出，分别输入至IGBT的门极和发射极，控制IGBT导通与关断。IGBT功率变换电路由六个IGBT组成，其中电路中每个上桥臂的IGBT的集电极相连后与电源正极相连，每个下桥臂的IGBT发射极相连后与电源负极相连。同时IGBT功率变换电路的输出端与电机的三相电枢绕组连接，为电机的旋转提供能量。通过以上控制完成电机三相绕组的有序供电及脉宽调制，实现轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机无位置传感器控制。
当电机切换到A时(A相电枢绕组通电)，就会在电机左右两侧形成与永磁体相同的轴向N极和S极电枢磁场。电枢磁场与永磁磁场高度耦合，即轴向磁通辅助径向磁阻并实现轴向导磁方式。两类磁场在A相定、转子气隙处叠加共同作用，根据磁阻最小原理，在A相气隙处产生切向拉力带动转子转动，切换到B、C相时与A同理，实现电机连续运转。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机，其特征在于：由两组磁极相关的三相6/4定转子凸极构成复合结构，包括两组定子铁芯、两组转子铁芯、转轴、电枢绕组、机壳、导磁材料、永磁体和永磁体保护套；所述永磁体为圆环形，与转轴同轴且固定于转轴中央，永磁体外部设有永磁体保护套，永磁体两侧设有嵌套于转轴表面的导磁材料，所述导磁材料与转轴固定；所述两组定转子结构平行排列且完全对称于电机转轴的中间垂直面；两组转子铁芯分别固定在永磁体两侧的导磁材料上，且均与永磁体之间有一定距离，两组转子铁芯、导磁材料及永磁体构成复合转子，随转轴一同旋转；两组定子铁芯分别设置于两组转子铁芯外部，且定子铁芯和转子铁芯之间隔有一定气隙，两组定转子在永磁体两侧形成对称定转子组；所述机壳设于两组定子外部，且与两组定子铁芯固定；每个定子凸极上集中缠绕电枢绕组，每一侧电枢绕组均匀分为A、B、C三相，一侧的A相电枢绕组与另一侧的A相电枢绕组串联合成一相，B、C相的设置与A相相同；单侧电枢绕组是通过反向串联连成一相，径向对齐的一对凸极上的电枢绕组分别构成A-A’、B-B’和C-C’；当电机某相定子电枢绕组通电时，就会在电机左右两端形成与永磁体相同的N极和S极磁场。
2.根据权利要求1所述的轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机，其特征在于：所述电机的定子和转子均由硅钢片叠压而成。
3.根据权利要求1所述的轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机，其特征在于：所述定子极弧为45°，转子极弧为45°。
4.一种权利要求1所述的轴向永磁辅助磁阻型复合转子高速电机的控制方法，其特征在于：采用无位置传感器的驱动控制系统进行电机控制，驱动控制系统采用电流、速度双闭环结构，其中内环为电流环，外环为速度环；电机反馈的电压Uph和电流Iph通过磁链观测计算得到真实磁链，再经过转子位置观测器得到转子位置角θest，通过转子位置角θest确定导通相为A相、B相或C相，当转子位置角θest大于给定触发角θref时，电机执行换相操作，否则返回重新计算转子位置角θest；同时转子位置角经过速度估算得到反馈速度v′，将反馈速度v′与电机给定速度v比较，得到速度误差信号ev，作为速度调节器的输入，通过增量式PI计算得到需要调节的给定电流i*；将需调节的给定电流i*与电机反的电流Iph作比较，得到电流误差信号ei，作为电流调节器的输入，经计算得到需调节的给定PWM波信号；将PWM波信号输入IGBT功率变换电路，控制IGBT导通与关断，完成电机三相绕组的有序供电及脉宽调制，实现电机无位置传感器控制。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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新型12/8极双凸极变速永磁电机的设计与分析;林明耀,程明,周鹗;东南大学学报(自然科学版)(06);第944-948页 *

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