CN101572468A - 太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机，包括机壳、机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，转子包括主轴和转子铁芯，转子铁芯外圆周上套有由圆周方向均匀布置的径向磁化磁钢与相邻斜角磁化磁钢组成的环形磁极，该环形磁极内一块径向磁化磁钢与相邻两块斜角磁化磁钢组成一个转子磁极，径向磁化磁钢为主磁极，两侧相邻两块的斜角磁化磁钢为辅助磁极。本发明转子环形磁极内的径向与斜角混合异向磁化磁极，使电机即使采用均匀气隙，也能显著改善电机气隙磁密波形，获得正弦波磁场，既不减少出力，又能降低力矩波动，提高太阳跟踪系统精度，该电机能够高效、低波动、低噪、快响应、高精度平稳运行。

Description

太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机

技术领域

本发明涉及一种太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机(PMBLSM)，属于电机技术领域。

背景技术

光伏发电能为人类提供可持续能源，并保护赖以生存的环境，但其发电效率低，发电成本相对较高制约其大规模应用。太阳跟踪系统是针对太阳能光伏发电需要对太阳进行实时跟踪的应用设计，基本功能就是使光伏阵列随着太阳而转动，实现高精度的太阳跟踪。自动太阳跟踪器的稳定性与可靠性一直是其没有被大规模应用的主要问题，驱动电机性能是关键之一。目前国内外太阳跟踪系统采用的电机基本上采用永磁直流电机，存在耗电大、效率低、电磁兼容性差、噪音大、力矩波动大、线性度差、过载能力低、换向器火花、电刷磨损和可靠性差等缺陷，而且系统可靠性差、跟踪误差大、成本过高。性能对太阳能自动跟踪系统品质的提升至关重要，目前国内外正在研发的永磁直流无刷电机(PMBLM)，其电枢励磁为“非圆形跳跃式”的旋转磁场，存在较大的转矩波动，调速范围也窄，影响电机高效、宽调速、平稳低噪运行。

针对目前太阳跟踪系统用电机存在的耗电大、效率低、力矩波动大等缺陷，急需设计一种太阳跟踪系统用高精度低波动电机。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机，能够高效、低波动、低噪、快响应、高精度平稳运行，实现电机小型轻量化。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机，包括机壳、机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，转子包括主轴和转子铁芯，特点是：所述转子铁芯外圆周上套有由圆周方向均匀布置的径向磁化磁钢与相邻斜角磁化磁钢组成的环形磁极，该环形磁极内一块径向磁化磁钢与相邻两块斜角磁化磁钢组成一个转子磁极，径向磁化磁钢为主磁极，两侧相邻两块的斜角磁化磁钢为辅助磁极。不同磁化方向磁钢组成的环形磁极，可提高电机气隙磁密，降低转子轭磁密，从而减少轭部厚度，缩小电机体积和提高功率密度，并具有良好的自屏蔽功能。径向磁化磁钢(主磁极)与相邻左右两边的斜角磁化磁钢(辅助磁极)磁力线汇聚于主磁极中心，改善电机气隙磁密波形，降低力矩波动，提高太阳跟踪系统精度，同时使气隙磁密增加，提高电机过载能力和功率密度，使电机小型轻量化。

进一步地，上述的太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机，调节环形磁极内主磁极和辅助磁极极弧角比例(α和β)，并调节磁化斜角θ，有显著聚磁作用，可提高气隙磁密，提高出力、大幅度降低力矩波动和提高太阳跟踪系统精度。在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度，易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。

更进一步地，上述的太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机，其中，所述转子铁芯内圆周方向均匀镶有内置式径向磁化矩形条状磁钢和极靴，内置式径向磁化矩形条状磁钢与极靴构成磁极，所述极靴的内部开有不等径的圆孔，每一圆孔内放置非磁性良导体。极靴内部开不等圆孔，可减少铁心损耗，改善电机气隙磁密波形，大幅度降低力矩波动，同时在极靴内圆孔中放置非磁性良导体，可有效减小太阳跟踪系统用电机启动、过载、突然反转等暂态情况下的电枢反应去磁磁通的剧增，暂态过电流時，将在非磁性良导体上感生涡流，从而有效阻止电枢反应磁通的上升，使太阳跟踪系统过流保护装置有足够时间(足以使磁钢在永久去磁磁通到来之前)动作，从而防止静态、动态电枢反应对磁钢永久去磁。

更进一步地，上述的太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机，其中，所述内置式径向磁化矩形条状磁钢的两端设置磁钢槽，增加漏磁磁阻，减少漏磁通，增加有效磁通，提高出力、功率重量比、功率体积比和效率。

再进一步地，上述的太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机，其中，所述内置式径向磁化矩形条状磁钢之间设置隔磁磁桥，负载时，对永磁磁通呈磁路饱和状态，永磁磁通难以通过隔磁磁轿，减少漏磁，增加有效磁通，提高气隙磁密，提高出力。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①本发明转子环形磁极内的径向与斜角混合异向磁化磁极，使电机即使采用均匀气隙，也能显著改善电机气隙磁密波形，获得正弦波磁场，既不减少出力，又能大幅度降低力矩波动，提高太阳跟踪系统精度；

②调节转子环形磁极内主磁极和辅助磁极极弧角比例(α和β)和调节磁化斜角θ，有显著聚磁作用，可提高气隙磁密，提高出力、大幅度降低力矩波动和提高太阳跟踪系统精度；

③转子极靴内部开不等圆孔，减少铁心损耗和抑制电枢反应；同时，圆孔内放置非磁性良导体，能有效减小太阳跟踪系统用电机启动、过载、突然反转等暂态情况下的电枢反应去磁磁通的剧增，暂态过电流时，将在非磁性良导体上感生涡流，从而有效阻止电枢反应磁通的上升，使太阳跟踪系统过流保护装置就有足够时间(足以使磁钢在永久去磁磁通到来之前)动作，从而防止静态、动态电枢反应对磁钢永久去磁危险；转子铁芯内置式磁钢不但受极靴保护，且形成不对称的转子磁路结构，产生磁阻转矩，提高电机过载能力、功率密度和恒功率扩速能力；

④定子内圆面对气隙的齿面优化设计，采用优化的渐变形齿，与转子间形成不均匀气隙，改善电机气隙磁密波形，降低力矩波动，提高太阳跟踪系统精度，提高电机过载能力和功率密度，使电机小型轻量化；

⑤本发明太阳跟踪系统用永磁无刷伺服电机能够高效、低波动、低噪、快响应、高精度平稳运行，实现电机小型轻量化。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1a：表面安装式永磁无刷伺服电机原理示意图；

图1b：内置式永磁无刷伺服电机原理示意图；

图2a：带不同磁化方向磁钢的环形磁极转子剖面图；

图2b：由径向磁化与斜角磁化磁钢组成的一个转子磁极示意图；

图3：内置式永磁无刷伺服电机剖面图；

图4：极靴开不等圆孔的内置式永磁无刷伺服电机剖面图；

图5：定子内圆齿面结构示意图。

图中各附图标记的含义见下表：

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						1a	表面安装式磁钢	1b	内置式磁钢	1c	径向磁化磁钢
1d	斜角磁化磁钢	2	磁钢槽	3	极靴
						4	气隙	5	定子铁心	6	定子槽
7	定子齿	8	圆孔	9	转子轭
						10	定子轭	11	隔磁磁桥	A	弧形齿面
B	多边形齿面	C	渐变形齿面	D	齿条形齿面

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						α	主磁极极弧角	β	辅助磁极极弧角	θ	磁极磁化斜角

具体实施方式

本发明提供一种太阳跟踪系统用高精度低波动PMBLSM。该伺服电机系统，能自动跟踪太阳高度角与方位角转动，按照太阳运动轨迹方式运行，跟踪太阳由东向西和太阳赤纬角，解决太阳光始终垂直照射到物体表面，保证获得最大太阳辐射能量，保证太阳电池阵列在白天任何时刻都正对太阳，可实现全天8小时自动对太阳的实时追踪。本发明高精度低波动PMBLSM，用于太阳跟踪单轴系统可提高发电量约20％，双轴系统可提高发电量约35％。

太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机(PMBLSM)，包括机壳、机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯5和定子绕组，定子铁芯5包括定子槽6、定子齿7和定子轭10，转子包括主轴和转子铁芯，图1a为表面安装式永磁无刷电机(SPMBLM)，转子铁芯外圆周方向设置表面安装式磁钢1a；图1b为内置式永磁无刷电机(IPMSBLM)，转子铁芯内圆周方向设置内置式磁钢1b。

如图2a、图2b，转子铁芯外圆周上套有由圆周方向均匀布置的径向磁化磁钢与相邻斜角磁化磁钢组成的环形磁极，该环形磁极内一块径向磁化磁钢1c与相邻两块斜角磁化磁钢1d组成一个转子磁极；较宽的径向磁化磁钢1c为主磁极，两侧相邻两块较窄的斜角磁化磁钢1d为辅助磁极。径向磁化磁钢1c与相邻两块较窄的斜角磁化磁钢1d的混合异向磁化，使电机即使采用均匀气隙，也能显著改善电机气隙磁密波形，获得正弦波磁场，既不减少出力，又能大幅度降低力矩波动，提高太阳跟踪系统精度。调节环形磁极内主磁极的极弧角α，调节环形磁极内辅助磁极的极弧角β，并调节磁极磁化斜角θ，使其具有显著聚磁作用，提高气隙磁密，提高出力、大幅度降低力矩波动和提高太阳跟踪系统精度。磁极磁化斜角θ由0°逐渐变大，气隙磁密波形逐渐得到改善，电机的力矩波动相应减少，优化的磁极磁化斜角θ约为48°～50°，与径向磁化(即θ＝0°)电机相比，θ＝45°时，最大齿槽力矩减少5倍，相对力矩波动减少55％；经过优化设计的磁极磁化斜角θ＝48°时，最大齿槽力矩减少15倍，相对力矩波动减少65％，力矩波动系数约减小5倍。

图3示意了内置式永磁无刷伺服电机(IPMSBLSM)的剖面，定子铁芯5包括定子槽6、定子齿7，内置式磁钢两端设置磁钢槽2。

图4示意了极靴开不等径圆孔的IPMBLM，转子铁芯内圆周方向设置内置式磁钢1b，内置式磁钢1b两端设置磁钢槽2，内置式磁钢1b间设置隔磁磁桥11，转子轭9与定子轭10之间形成气隙4，极靴3内部开不等径圆孔8，减少铁心损耗和抑制电枢反应。同时，圆孔8内放置非磁性良导体，能有效减小太阳跟踪系统用电机启动、过载、突然反转等暂态情况下的电枢反应去磁磁通的剧增，暂态过电流时，将在非磁性良导体上感生涡流，从而有效阻止电枢反应磁通的上升，使太阳跟踪系统过流保护装置就有足够时间(足以使磁钢在永久去磁磁通到来之前)动作，从而防止静态、动态电枢反应对磁钢永久去磁危险。与电机转子极靴内部不开孔相比：极靴内部开等径圆孔，平均电磁力矩增加10％，力矩波动减少47％；极靴内部开经过优化的不等径圆孔8，平均电磁力矩增加15％，力矩波动减少73％；转子铁芯内置式磁钢不但受极靴3保护，且形成不对称的转子磁路结构，产生磁阻转矩，提高电机过载能力、功率密度和恒功率扩速能力。

图5所示定子内圆，示意了弧形齿面A、多边形齿面B、渐变形齿面C、齿条形齿面D，优化齿面为渐变形齿面C，与弧形齿面A相比，采用多边形齿面B、渐变形齿面C、齿条形齿面D其最大力矩波动分别减少34％、88％、28.3％。优化的渐变形齿面C能显著降低电机的力矩波动，从而提高太阳跟踪系统精度。

综上所述，本发明太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机，转子环形磁极内采用径向与斜角混合异向磁化磁极(主磁极1c和辅助磁极1d)，且内置式磁钢1b两端设置磁钢槽(孔穴)2，磁极间设置隔磁磁桥11，极靴3内部开不等径圆孔8，圆孔8内放置非磁性良导体；定子齿采用优化的渐变形齿面C，从而能使太阳跟踪系统用永磁无刷伺服电机高效、低波动、低噪、快响应、高精度平稳运行，实现电机小型轻量化。

需要理解到的是：上述说明并非是对本发明的限制，在本发明构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机，包括机壳、机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，转子包括主轴和转子铁芯，其特征在于：所述转子铁芯外圆周上套有由圆周方向均匀布置的径向磁化磁钢与相邻斜角磁化磁钢组成的环形磁极，所述环形磁极内一块径向磁化磁钢与相邻两块斜角磁化磁钢构成一个转子磁极，径向磁化磁钢为主磁极，两侧相邻两块的斜角磁化磁钢为辅助磁极。

2.根据权利要求1所述的太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机，其特征在于：所述转子铁芯内圆周方向均匀镶有内置式径向磁化矩形条状磁钢和极靴，内置式径向磁化矩形条状磁钢与极靴构成磁极，所述极靴的内部开有不等径的圆孔，每一圆孔内放置非磁性良导体。

3.根据权利要求2所述的太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机，其特征在于：所述内置式径向磁化矩形条状磁钢的两端设置磁钢槽。

4.根据权利要求2所述的太阳跟踪系统用高精度低波动永磁无刷伺服电机，其特征在于：所述内置式径向磁化矩形条状磁钢之间设置隔磁磁桥。

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