CN102223044A - 一种转子电流可测式无刷双馈电机 - Google Patents

一种转子电流可测式无刷双馈电机 Download PDF

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本发明属于无刷双馈电机技术领域，涉及一种转子电流可测式无刷双馈电机，该种电机为级联绕线式无刷双馈电机，带有转子电流探测装置，包括磁链霍尔传感器、环形电路板、定子测量铁芯和径向环形探测线圈，径向环形探测线圈固定在级联绕线式无刷双馈电机的轴端，三相转子绕组中的两相分别与两个径向环形探测线圈中的绕组相串联；在径向环形探测线圈上部的定子端盖上固定有定子测量铁芯，在定子测量铁芯的两侧固定有环形电路板，环形电路板上设置有用来测量两路转子电流的磁链霍尔传感器。本发明能够实现对转子电流的直接探测，极大地改善系统的控制性能和鲁棒特性，满足高性能和恶劣应用场合的需求。

Description

一种转子电流可测式无刷双馈电机
技术领域
本发明涉及一种无刷双馈电机，尤其是绕线式无刷双馈电机。
背景技术
无刷双馈电机取消了绕线式双馈电机的电刷和滑环，降低了维护费用，延长了使用寿命，提高了可靠性，仍然保留了所需变频器容量小的优点。无刷双馈电机作为电动机可应用于风机、水泵等变频调速系统，作为发电机可应用于变速恒压恒频的船用轴带发电、水力发电和风力发电系统，所需变频器容量小，降低了系统成本。近几年来，无刷双馈电机在混合动力汽车等动力耦合装置中发挥了巨大作用。
无刷双馈电机的巨大应用前景和潜在价值使其得到广泛关注，国内外先后对其展开研究并取得了一系列成果。现有无刷双馈电机有级联无刷双馈电机和自级联无刷双馈电机两种，其中自级联无刷双馈电机根据转子结构的不同又分为笼形结构、磁阻结构以及绕线式结构。研究表明鼠笼式和磁阻式无刷双馈电机的导体利用率低，谐波含量大，无法做到高效，鼠笼式效率只能达到60％左右，磁阻式只能达到70％左右。而绕线式无刷双馈电机转子绕组接线方式灵活，可人工控制绕组分布系数，导体利用率高，谐波含量低，效率可达到90％左右。
在现有无刷双馈电机高性能控制系统中，不论是直接转矩控制还是矢量控制都需要使用动态观测器对电机的磁链进行观测。
无刷双馈电机磁链观测模型主要有电压电流模型和电流转速模型两种，磁链观测器的观测精度依赖于模型及其参数的精度。其中，电压电流模型只需定子电阻参数，对电机参数的依赖性小，但采用电压电流模型观测磁链进行磁链反馈控制的一个致命缺点是系统中存在一个电流的正反馈回路用来补偿电机内部定子电流在定子电阻上的压降，一旦观测器中的定子电阻比实际值大，整个系统就会不稳定，无法正常工作。观测器中定子电阻等于实际值是准确观测定子磁链的条件，却也使等价的电机呈现“超导定子”特性，系统临界稳定，初始观测误差和零点漂移引起的积分偏差将不收敛，系统响应特性迟钝缓慢，控制特性很差。无刷双馈电机磁链的电流转速模型依赖于转子电阻和定、转子电感参数，转子电阻参数会随温度发生变化，不便于工程实现。
对电机参数依赖性小，特别是不依赖于转子电阻参数是电机控制系统对磁链观测器追求的目标。因此，若能采用定、转子磁链的电流代数模型，即ψs＝Lsis+Lmir，ψr＝Lmis+Lrir，则只需要电机电感和互感两个参数即可。电机电感和互感参数在数值上近似相等，容易通过空载试验从励磁特性曲线获得。采用磁链的电流代数模型，可以极大地降低对电机参数的依赖性，且与转子电阻及转子时间常数无关，可以极大地降低观测结果对转子温度的敏感性。
发明内容
针对无刷双馈电机现有控制方法对电机参数依赖性强的问题，本发明提供一种新的无刷双馈电机，能够实现对转子电流的直接探测，可以使无刷双馈电机系统控制算法对电机参数的依赖性达到最小，极大地改善系统的控制性能和鲁棒特性，满足高性能和恶劣应用场合的需求。本发明的技术方案如下：
一种转子电流可测式无刷双馈电机，该种电机为级联绕线式无刷双馈电机，包括控制侧的三相定子、转子绕组和功率侧的三相定子、转子绕组，还包括转子电流探测装置，包括磁链霍尔传感器、环形电路板、定子测量铁芯和径向环形探测线圈，所述的径向环形探测线圈固定在级联绕线式无刷双馈电机的轴端，其安装侧为控制侧或功率侧，三相转子绕组中的两相分别与两个径向环形探测线圈中的绕组相串联；在径向环形探测线圈上部的定子端盖上固定有定子测量铁芯，在定子测量铁芯的两侧固定有环形电路板，环形电路板上设置有用来测量两路转子电流的磁链霍尔传感器。
作为优选实施方式，磁链霍尔传感器分两组固定在两个环形电路板上，位于定子测量铁芯与径向环形探测线圈的气隙中，每组霍尔传感器个数为转子电流探测装置安装侧转子绕组极对数的整数倍在环形电路板上均匀分布。
本发明利用绕线式无刷双馈电机转子绕组电压电流等级设计灵活的特点，开发能够实现对转子电流直接探测的新型无刷双馈电机，即在三相转子线圈的绕制过程中抽出其中两相分别与两个径向环形探测线圈相串联，通过霍尔传感器来获取转子电流信号。霍尔传感器的引入并不会增加电机设计的复杂性，也不会对电机成本及体积带来明显影响，同时实现了对转子电流的无刷、无接触式测量，能够极大地改善系统的控制性能和鲁棒特性，满足高性能和恶劣应用场合的要求。
附图说明
图1是转子电流可测无刷双馈电机剖面图。
图2是转子电流可测无刷双馈电机A-A剖面图。
图3是转子电流可测无刷双馈电机转子绕组连接示意图。
图中：1-功率绕组定子铁芯；2-功率绕组定子线圈；3-功率绕组转子铁芯；4-功率绕组转子线圈；5-电机轴；6-控制绕组定子铁芯；7-控制绕组定子线圈；8-控制绕组转子线圈；9-控制绕组转子铁芯；10-磁场霍尔传感器；11-环形电路板；12-功率绕组定子绕组出线端；13-控制绕组定子绕组出线端；14-磁场霍尔传感器出线端；15-定子测量铁芯；16-径向环形探测线圈。
具体实施方式
下面结合附图以级联绕线式转子电流可测式无刷双馈电机为例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的转子电流可测无刷双馈电机由普通级联绕线式无刷双馈电机I和转子探测装置II两部分组成。其中I包括定子、转子、电机转轴以及机壳四部分，定子部分包括两套独立的定子绕组铁芯及绕组线圈，其中一套为功率绕组定子铁芯1和绕在其上极对数为pp的功率绕组定子线圈2，另一套为控制绕组定子铁芯6和绕在其上极对数为pc的控制绕组定子线圈7；转子部分包括与定子部分相对应的极对数为pp的功率绕组转子铁芯3及功率绕组转子线圈4和极对数为pc的控制绕组转子铁芯9及控制绕组转子线圈8。其中，功率绕组三相转子线圈与控制绕组三相转子线圈反相序交叉相连，如图3所示。
转子探测装置II包括磁链霍尔传感器10、环形电路板11、霍尔传感器出线端14、定子测量铁芯15和径向环形探测线圈16。在电机转轴5的轴端安装两个径向环形探测线圈16用来引出两路转子电流以便进行测量，即在三相转子线圈的绕制过程中抽出其中两相分别与两个径向环形探测线圈相串联。定子测量铁芯15以螺栓固定在径向环形探测线圈上部的定子端盖上，其上安装两个环形电路板11和两组磁链霍尔传感器10。其中，环形线圈的定、转子铁芯形成闭合磁路，来抵制外部磁场干扰；两个环形电路板11分别安装在该定子测量铁芯15的两侧；两组磁链霍尔传感器均匀焊接在两个环形电路板上，且使其固定在定子测量铁芯与径向环形探测线圈的气隙之间，用来探测两路转子电流，测量结果经环形电路板11从霍尔传感器出线端14输出。
每组霍尔传感器的个数为转子绕组极对数的整数倍在环形电路板上均匀分布，取其平均值计算转子电流，可以有效减少电机轴安装偏差以及电机端部漏磁通对测量结果的影响。霍尔传感器的引入并不会增加电机设计的复杂性，而且体积小，不会对电机成本及体积带来明显影响。
该转子电流可测式无刷双馈电机实现了对转子电流的无刷、无接触式测量，将转子电流量用于电机控制，可降低控制器对电机参数的依赖性。
以上所述仅是以级联绕线式转子电流可测式无刷双馈电机为例进行了详细说明，并非对本发明做任何形式上的限制，根据不同的应用场合，对不同结构的无刷双馈电机，如绕线式无刷双馈电机有两套定、转子绕组分别共用一个铁芯和级联式两种结构，新能源汽车动力耦合装置则采用杯型转子内外两侧独立磁路的结构，都可以根据电机的结构特点，在转子的端部或级联电机两套转子绕组的中间，根据本发明所给实施例加入磁场霍尔传感器对转子电流进行探测，它依然属于本发明的技术方案。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种转子电流可测式无刷双馈电机，该种电机为级联绕线式无刷双馈电机，包括控制侧的三相定子、转子绕组和功率侧的三相定子、转子绕组，其特征在于，还包括转子电流探测装置，包括磁链霍尔传感器、环形电路板、定子测量铁芯和径向环形探测线圈，所述的径向环形探测线圈固定在级联绕线式无刷双馈电机的轴端，其安装侧为控制侧或功率侧，三相转子绕组中的两相分别与两个径向环形探测线圈中的绕组相串联；在径向环形探测线圈上部的定子端盖上固定有定子测量铁芯，在定子测量铁芯的两侧固定有环形电路板，环形电路板上设置有用来测量两路转子电流的磁链霍尔传感器。
2.根据权利要求1所述的其特征在于，霍尔传感器分两组固定在两个环形电路板上，位于定子测量铁芯与径向环形探测线圈的气隙中，每组霍尔传感器个数为转子电流探测装置安装侧转子绕组极对数的整数倍在环形电路板上均匀分布。
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