CN102780373B - 一种转子位置特征显著的永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于永磁电机技术领域，涉及一种转子位置特征显著的永磁电机，在其转子上对称分布有永磁体，在转子上对称固定有一对或多对导磁条，称之为副导磁条，在每对副导磁条之间固定有一个导磁条，与副导磁条相比，其附近磁导率增大的更为明显，称之为主导磁条；主导磁条和副导磁条用于形成不对称磁导率，增大三相电感随转子位置变化而变化的差异度。本发明的电机结构能够增大高频检测信号下的电感差异和位置检测信噪比，从而根据三相电感的变化可唯一的确定转子的位置。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种新型拓扑结构的永磁电机，适用于电气工程的电机领域尤其涉及永磁电机的无位置传感器控制。
背景技术
传统的永磁电机控制方法中通过位置传感器来直接检测电机转子的位置。但位置传感器的使用使得系统体积增大、成本增加、可靠性降低。因此，永磁电机无位置传感器的控制技术成为目前研究的热点之一。无位置传感器控制策略通过检测三相绕组中的相关变量来估算出转子的位置和速度，可实现电机的控制。
目前，永磁电机无位置传感器的控制大多是通过检测基波反电动势来获得转子的位置信息。该方法原理简单、实施方便，但在低速或静止状态时因反电动势幅值较小或者为零因而无法检测，因此该方法只适用于电机处于高速运行状态。在静止和低速状态下，可利用电机的凸极效应即电感随转子位置变化而变化的特性，通过检测径向气隙磁场强度不同带来的绕组电感差异来判断转子的位置。
在电机控制中，有文献提出在电机控制驱动间隙通过功率驱动电路施加高频检测信号，根据绕组反馈比较各项绕组电感差异，进而估计转子位置。这种高频信号注入法能够有效判断静止和低速状态下永磁电机转子位置，不过由于永磁体磁阻大，永磁电机，特别是常用的表贴式永磁电机电感差异小，检测信号信噪比低，算法实现困难。通过提高检测信号的频率虽然可以放大绕组电感，但受集肤效应的影响，检测信号过高时绕组电感也会减小。因此，需要对永磁电机的拓扑结构进行改进，使得高频信号能够通过气隙磁场，增大高频信号下的三相电感差异，进而确定转子的位置。
发明内容
基于高频信号注入法的永磁电机无位置传感器控制中，通过提高检测信号的频率可以放大绕组感抗，不过受集肤效应影响，检测频率较高时绕组电感差异也会减小，使得转子位置难以检测。针对上述问题，本发明提出基于非对称磁导率的永磁电机的新型拓扑结构，通过在转子上非对称的增加导磁条，增大高频检测信号下的电感差异和位置检测信噪比，根据三相电感的变化可唯一的确定转子的位置。本发明的技术方案如下：
一种转子位置特征显著的永磁电机，在其转子上对称分布有永磁体，在转子上对称排布有一对或多对导磁条，称之为副导磁条2，在每对副导磁条2之间固定有一个导磁条，与副导磁条2相比，其附近磁导率增大的更为明显，称之为主导磁条3；主导磁条3和副导磁条2用于形成不对称磁导率，增大三相电感随转子位置变化而变化的差异度。
作为优选实施方式，所述的永磁体为一对或多对，为每对永磁体各建立一个dq旋转坐标系，在转子表面上与每对永磁体的d轴正方向和d轴负方向对应的位置处分别固定有一个副导磁条2，在转子表面上与每对永磁体的q轴正方向或与q轴负方向对应的位置处固定有一个主导磁条3；所述的永磁体为偶数对，主导磁条3、副导磁条2在转子上呈对称放置，在放置后能够保证电机转子机械结构的对称性。
针对静止和低速、大转矩运行状态下永磁电机转子位置难检测问题，高频检测信号分时和分频复用可实现转子位置的估算。但频率较高时受集肤效应等影响，绕组电感的差异反而会减小，通过在转子上增加导磁条，使得电机的磁导率非对称，增大高频检测信号下各相电感差异和转子位置特异性，降低转子位置检测的难度。通过合理设计导磁条对于电角度的非对称性判断转子NS极朝向、削弱齿槽定位转矩。通过合理设计电机极对数保证电机转子机械结构对称和动平衡。
附图说明
图1永磁电机的驱动电路图，
图2基于非对称磁导率的永磁电机基本结构（1对极），
图3永磁电机转子初始位置及磁势图，
图4永磁电机理想三相电感波形、开关信号与功率器件导通关系图，
图5基于非对称磁导率的永磁电机基本结构（2对极）。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
永磁电机的驱动电路如图1所示，永磁电机用虚线框的部分等效，采用三相星型连接，中点不引出。Udc为直流母线电压，C为直流母线上的电解电容，VT1-VT6为六个功率开关器件（IGBT），VD1-VD6为六个反并联续流二极管。永磁电机无位置传感器的控制原理就是通过检测转子的位置得到触发信号，依次触发六个功率器件中的两个导通，在绕组中建立旋转的磁场，并使该磁场与转子永磁体磁场成一定的角度，以产生电磁转矩，驱动电机转动。
永磁电机无位置传感器控制系统中，静止和低速、大转矩运行状态下永磁电机转子位置难以检测。高频信号注入法可以通过检测三相电感的差异来得到转子的准确位置。根据感抗的计算公式XL=2πfL，当电感一定时，感抗会随频率的增大而增大（相应的感抗差异也会变大）。利用电压传感器测量永磁电机绕组相对于中性点的电压幅值，再利用带通滤波器滤波得到高频电压分量，高频电压分量与相电感值成正比，比较高频电压分量的大小即可得到电感的大小关系。但频率较高时受集肤效应等影响绕组电感的差异反而会减小，从而使得检测的难度增大，精确性也受影响。
为了减少转子位置检测的难度，本发明在传统永磁电机的转子上增加主导磁条3和副导磁条2，增大高频检测信号下各相电感差异和转子位置特异性，其结构如图2所示。该图为1对极非对称磁导率永磁电机基本结构图，电机采用集中式绕组形式，主要由包含电枢绕组的定子和带有永磁体1的转子组成。图中两个永磁体1对立放置在转子上，通过在d轴正、负方向对应的转子表面上对称增加一对副导磁条2，在q轴负方向对应的转子表面上增加主导磁条3，显著增大主导磁条3附近绕组高频下电感，增大副导磁条2附近绕组高频下电感，从而增大高频检测信号的特异性。根据电感的差异可得到转子的位置，进而确定永磁电机的换相时间与换相顺序。
下面以1对极为例进行分析。当电机旋转到图3所示位置时定义为初始位置，即旋转角θ＝0°。此时主导磁条3位于A相绕组中间，转子永磁体1产生的磁势Fr指向定子左侧，且按逆时针方向旋转。根据永磁电机三相六状态120°工作原理，在一个电周期内，电机共有六个工作区间，每60°电角度换相一次。为了使转子逆时针旋转，定子电流产生的总磁势Fs应滞后转子磁势Fr120°电角度，初始位置时Fs可由a、b相定子电流产生的磁势Fa和Fb合成，即定子电流的流向从a相流入b相流出，对应的开关管VT1、VT6导通。当电机从初始位置开始逆时针旋转60°电角度，即θ=0°～60°时，由于主、副导磁条2的作用使得高频检测信号下三相电感差异为La＞Lc＞Lb。此时Fs与Fr的夹角变为60°，为了保证转子继续逆时针旋转，Fs的方向需要改变即需要换相，VT1关断、VT5导通。转子继续逆时针旋转60°电角度，即θ=60°～120°时，三相电感差异变为Lc＞La＞Lb，此时Fs与Fr的夹角又变为60°，需要进行下一次换相即VT6关断、VT4导通。以此类推，可得到六个工作区间内，电机转子旋转位置与三相电感差异、导通的功率器件一一对应，如表1所示。
表1
为了进一步的分析，画出了永磁电机理想三相电感波形、开关信号与功率器件导通关系图，如图4所示。由图可知，理想情况下，三相电感随转子位置变化的波形为正弦波，且三相电感依次滞后120°电角度。如果三相电感中，电机旋转任意位置时，令电感值最大的相为正向导通，电感值最小的相为负向导通，电感值为中间值的相不导通，则可得到各相的开关信号图，从而确定功率器件的导通关系，如图4所示。此关系与表1所示的一致。在高频信号注入法中，通过检测各相电感的变化可唯一确定出转子的位置θ，从而得到功率器件的导通顺序并确定换相时刻。
上述设计的1对极的永磁电机结构中，虽然转子对于电角度非对称，但当电机极对数为偶数时，上述方案可以在增加转子特异性和位置检测区分度的同时保证电机转子机械结构对称，不影响转子动平衡。图5所示为2对极非对称磁导率永磁电机基本结构图。三相电感差异与转子位置对应关系的原理分析与1对极的类似。
综上所述，在静止和低速状态下永磁电机转子的位置很难检测。高频信号注入法通过在电机中持续的注入高频电压信号，根据高频电压分量得到三相绕组电感差异，进而估计转子位置。但受集肤效应的影响，高频检测信号很难通过气隙进入转子，从而检测频率过高时感应出的绕组电感会减小。通过在转子上增加主导磁条3和副导磁条2，增大高频检测信号下的电感差异，根据电感的差异可得到转子的位置，进而得到开关器件的导通时间和导通顺序，使得换相顺利进行。通过合理设计电机的极对数，在增加转子特异性和位置检测区分度的同时又能保证电机转子机械结构的对称。
需要进一步说明，本发明的具体实施方法广泛。此处所做的实例仅做详细说明作用，仅选取了一种优选的实施案例进行分析，实际上在组成、构造和使用的某些细节会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本发明的范围。
Claims (2)
1.一种用于无位置传感器控制的转子位置特征显著的永磁电机，在其转子上对称分布有永磁体，其特征在于，在转子上对称固定有一对或多对导磁条，称之为副导磁条，在每对副导磁条之间固定有一个导磁条，与副导磁条相比，其附近磁导率增大的更为明显，称之为主导磁条；主导磁条和副导磁条用于形成不对称磁导率，增大三相电感随转子位置变化而变化的差异度，所述的永磁体为一对或多对，为每对永磁体各建立一个dq旋转坐标系，在转子表面上与每对永磁体的d轴正方向和d轴负方向对应的位置处分别固定有一个副导磁条，在转子表面上与每对永磁体的q轴正方向或与q轴负方向对应的位置处固定有一个主导磁条。
2.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述的永磁体为偶数对，主、副导磁条在转子上呈对称放置，在放置后能够保证电机转子机械结构的对称性。
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