CN103151887A - 模块化笼障转子定子自励磁同步电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步电机，其特征在于：在定子上安放一套2p极三相电枢绕组和一套2q极单相励磁绕组，对励磁绕组供电实现定子自励磁，转子由笼障转子模块沿圆周方向拼成具有凸极型的转子，每个笼障转子模块通过定位槽与非导磁材料制成的套筒相连；笼障转子模块开有多个径向梯形槽，每个梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，梯形槽内放入短路笼条，相邻笼障转子模块边缘为阶梯型豁口，拼接后在形成公共梯形槽，槽底部的间隙深度达到套筒外表面，槽内放入公共笼条；其目的在于提出了一种既便于加工制造，又可使得对定子两套绕组耦合能力实现最大化，从而具有高功率密度和优良稳态与动态性能的新型模块化笼障转子定子自励磁同步电机结构。

Description

模块化笼障转子定子自励磁同步电机及其控制方法

技术领域：

本发明涉及一种同步电机，特别是一种模块化笼障转子定子自励磁同步电机及其控制方法。该电机既可作电动机运行，又可作发电机运行。

背景技术：

模块化笼障转子定子自励磁同步电机的定子上包括2p极的三相对称电枢绕组和2q极的单相对称励磁绕组（或者2q极的三相对称电枢绕组和2p极的单相对称励磁绕组），且满足2p-2q≥4，两套绕组之间的耦合是由p_r=p+q对极特殊设计的转子来实现的，因此该种电机无需安装电刷滑环，即可通过励磁绕组磁场与电枢绕组磁场的相互作用实现机电能量转换，与常规同步电机相比电机运行可靠性高、维护成本低。可用于该种电机的转子结构主要包括绕线式和磁阻式两大类。其中绕线式包括单层同心式短路绕组，齿谐波双层分布绕组；磁阻类包括具有齿槽的径向叠片凸极磁阻转子、轴向叠片磁阻转子。

绕线类转子结构的优点是制造工艺与常规电机类似，缺点是对定子两套绕组的耦合完全是以牺牲转子绕组铜耗为代价的，而且对定子两套绕组耦合能力欠佳，电机的动态性能也较差，而齿谐波双层分布绕组的工艺性欠佳。磁阻类转子的优点是转子上没有任何铜损耗，对定子两套绕组耦合能力和加工复杂程度各异。具有齿槽的径向叠片凸极磁阻转子易于加工，但对定子两套绕组的耦合效果欠佳；轴向叠片磁阻转子的耦合能力强，但制造工艺复杂，在大型定子双绕组交流电机中应用困难。此外，定子安放有双套绕组的常规交流电机的控制系统受不确定性参数变化和扰动影响较大，具有抗干扰能力差等缺点。

发明内容

发明目的：本发明提供一种模块化笼障转子定子自励磁同步电机及其控制方法，其目的在于提出了一种既便于加工制造，又可使得对定子两套绕组耦合能力实现最大化，从而具有高功率密度和优良稳态与动态性能的新型模块化笼障转子定子自励磁同步电机结构，同时也大大提高了该种交流电机的抗扰动能力。

技术方案：本发明采用以下技术方案：

模块化笼障转子定子自励磁同步电机，主要包括定子、转子、双向逆变器，其特征在于：在定子上安放2p极的三相对称电枢绕组和2q极的单相对称励磁绕组，电枢绕组的极数和励磁绕组的极数亦可互换，且均满足2p-2q≥4，转子采用p_r个相同的笼障转子模块沿圆周方向拼成一个具有p_r个凸极型的转子，每个笼障转子模块内侧通过定位槽与非导磁材料制成的套筒相连，套筒通过转轴上的定位销与转轴固定在一起；每个笼障转子模块外表面开有多个径向梯形槽，径向梯形槽间距可以相等也可以不等，每个梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个梯形槽内放入若干根导体组成短路笼条；相邻笼障转子模块相接处为阶梯型豁口，相邻笼障转子模块拼接后在其相接处形成p_r个公共梯形槽，且公共梯形槽底部的间隙一直达到套筒外表面，每个公共梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个公共梯形槽内放入若干根导体组成公共笼条；公共笼条和短路笼条分别采用端部导电环连接形成导电回路；笼障转子模块中心处开有多组切向隔磁层，分别与各自两侧嵌放短路笼条的梯形槽组合形成多组径向叠片磁障，在笼障转子模块内形成多个导磁层。

电枢绕组与电网相连，励磁绕组与可控直流电源的相连。

笼障转子两端装有压板，压板与转子间加绝缘层隔离，压板上钻有与笼障转子定位孔位置相同定位孔，非导磁材料制成的压紧螺杆沿轴向穿过全部定位孔，在压板两端利用螺母压紧固定。

放置公共笼条和短路笼条的梯形槽的槽口处开有内豁口并嵌放槽楔。公共笼条端部链接形式可以为：端部导电环将公共梯形槽内同层的公共笼条两侧端部连在一起；也可以将公共梯形槽内单层公共笼条分成两部分，两部分公共笼条分别与相邻公共梯形同层槽内的公共笼条通过端部导电环相连；也可以将公共梯形槽内外层公共笼条与单侧相邻公共梯形槽内的内层公共笼条通过端部导电环（17）相连；也可以在相邻两个公共梯形槽内放置多匝线圈导体。短路笼条端部链接形式可以为：以笼障转子模块径向对称线为中心，将两侧相对应的同层短路笼条端部通过导体相连，形成多组独立的同心式环形导电回路；也可以将外层短路笼条与相对应梯形槽的内层短路笼条通过导体相连，形成多组独立的交叉型同心式环形回路；也可以在相对应的两个同层梯形槽内放置多匝线圈导体，同一转子模块上的多组线圈导体匝数可以相同也可不同。

整个转子安装绕组后余下的公共梯形槽缝隙和模块内磁障缝隙内可浇注耐高温非导磁材料或者不浇筑。

套筒的形式可以为圆形套筒或多边形套筒；套筒上用于安装转子模块的定位槽形式为矩形槽或燕尾槽。

转子隔磁层的形状可以为弧形磁障式转子或U形磁障式转子。

一种如上所述模块化笼障转子定子自励磁同步电机的控制方法，其特征在于：控制方式采用PIMD控制方法来实现模块化笼障转子定子自励磁同步电机的转速跟踪，其控制思想是针对模块化笼障转子定子自励磁同步电机具有不确定性参数变化和扰动影响的特点，利用负延迟方法，通过调整延迟时间来消除不确定干扰信号，并引入了H_∞控制策略，进而提高系统的鲁棒性；具体为：采用电枢绕组dq坐标系，则模块化笼障转子定子自励磁同步电机的电磁转矩方程为

$T_e=\frac{3}{2}(p_p+p_c){\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{dp}}{i}_{\mathrm{qc}}=J\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}+B{\mathrm{\ω}}_r+T_1---\left(1\right)$

式中，p_p和p_c分别表示电枢绕组和励磁绕组的极对数，Ψ_dp为电枢绕组磁链的d轴分量，i_qc为励磁绕组电流的q轴分量，ω_r为转速输出，J为转子机械惯量，B为转动阻尼系数，T_e为总电磁转矩，T_l为负载转矩。

对式(1)两边进行拉氏变换，可得标称模型的传递函数P(s)为

$P\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{Js}+B}---\left(2\right)$

控制器的传递函数可表示为

$K\left(s\right)=\frac{U\left(s\right)}{E\left(s\right)}=K_p+\frac{K_i}{s}-K_d{e}^{-T_{d}s}---\left(3\right)$

式中，E（或e）为误差，U（或u）为控制输入信号，K(s)为控制器，K_p、K_i、K_d为控制参数，T_d为延迟时间。

对式(3)进行拉氏反变换，可得

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}-K_{d}e(t-T_d)$

$=(K_p-K_d)e\left(t\right)+T_d{K}_d\frac{e\left(t\right)-e(t-T_d)}{T_d}+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(4\right)$

$=K_{\mathrm{pn}}e\left(t\right)+K_{\mathrm{dn}}\·\frac{1}{T_d}{\∫}_{t-T_d}^t\stackrel{\·}{e}\left(t\right)\mathrm{dt}+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}$

式中，

是e(t)对时间t的导数；K_pn＝K_p-K_d，且K_p≥K_d；K_dn＝T_dK_d。

设误差e(t)中含有一由外部引起的正弦干扰d为

d＝Asin2πft  (5)

式中，A和f分别为干扰输入d的幅值和频率。当e(t)＝d(t)时，将其代入式(4)中，则第二项延迟项可写成

$\frac{1}{T_d}{\∫}_{t-T_d}^t\stackrel{\·}{d}\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{A}{T_d}[\sin 2\mathrm{\πft}-\sin 2\mathrm{\πf}(t-T_d)]---\left(6\right)$

如果令T_d＝N/f，其中N为自然数，那么

sin(2πft-2πfT_d)＝sin(2πft-2πN)

＝sin(2πft)cos(2πN)+cos(2πft)sin(2πN)

＝sin(2πft)

则式(6)为零，即

也就是说，当延迟时间T_d趋近于N/f时，式(6)趋近于零，因此，通过调整延迟时间T_d，PIMD控制器即可消除微分项干扰输入。

在PIMD控制中加入权值函数，即可将其转化为H_∞控制问题。设权值函数的状态空间形式为

$W_e\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}{A}_e& B_e\\ C_e& D_e\end{array}\right],W_u\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}{A}_u& B_u\\ C_u& D_u\end{array}\right]$

式中，W_e(s)和W_u(s)为加权函数，A_e、B_e、C_e、D_e、A_u、B_u、C_u、D_u为常数矩阵，

权值函数W_e(s)是由系统的性能要求决定的，由于系统的外部扰动和外部输入信号的频率通常较低，为保证系统能有效地抑制干扰和精确地跟踪信号，W_e(s)通常具有积分特性或高增益低通特性，再通过仿真实验进行反复试凑，可获得一个较佳的W_e(s)值；权值函数W_u(s)是使系统在有高频扰动作用下仍能保持稳定，为不增加控制器的阶次，通常取W_u(s)为一常数；权值函数W_d(s)反映负载扰动信号T_l的作用强弱，通常也取为一常数。

系统G(s)描述为

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+B_{1}w+B_{2}u\\ z=C_{1}x+D_{12}u\\ y=C_{2}x+D_{21}w\end{array}\right.$

即

$G\left(s\right)=\left[\begin{array}{ccc}A& B_1& B_2\\ C_1& 0& D_{12}\\ C_2& D_{21}& 0\end{array}\right]$

式中，x＝[x₁ x₂ x₃]^T为状态变量，y为观测输出信号，z＝[z₁ z₂]^T为评价信号，w＝T_l为干扰输入信号，A、B₁、B₂、C₁、C₂、D₁₂、D₂₁为常数矩阵，K＝[K_p K_i K_d]为所要求解的控制器。增广被控对象G(s)的状态空间实现为

再利用MATLAB软件中的hinfsyn函数，反复求解控制器K，直至满足H_∞次优设计指标

||LFT(G,K)||_∞＜γ  (8)

式中，||·||_∞为无穷范数，LFT(G,K)为下线性分式变换，γ为很小的常数。

优点效果：本发明提供一种新型模块化笼障转子定子自励磁同步电机，该种交流电机具有定子两套绕组的耦合能力强、功率密度和机电能量转换效率高、结构模块化、工艺简单、便于制成大型交流电机等显著优点。

本发明的有益效果是：该电机的转子采用径向叠片磁障和多组笼条复合式结构，在进一步改善转子磁耦合能力的同时，可有效降低气隙磁场谐波和损耗，提高电机的功率密度和运行性能；转子叠片沿径向叠压，可以减少转子铁芯中的涡流损耗，提高电机效率；凸极中心线处放置导电笼条，采用分层设计，可有效克服感应电流的集肤效应；励磁绕组安放在定子侧实现无刷励磁，与常规同步电机相比，无需安装同轴励磁系统或电刷滑环装置，电机可靠性提高；沿转子一周由p_r个完全相同的叠片组构成，这样的对称结构可实现仅加工一种叠片就可以组装成整个转子，因而大大减少了工艺成本，便于批量生产。该种新型复合转子具有结构新颖、工艺简单、成本低廉、机械强度高、运行可靠、结构模块化、便于产业化等方面的显著优势。

控制方式采用PIMD控制方法来实现模块化笼障转子定子自励磁同步电机的转速跟踪，该种控制方法针对模块化笼障转子定子自励磁同步电机具有不确定性参数变化和扰动影响的特点，利用负延迟方法，通过调整延迟时间来消除不确定干扰信号，并引入了H_∞控制策略，可对系统的不确定负载扰动进行有效抑制，具有较强的鲁棒性，大大提高了该种交流电机的抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明模块化笼障转子定子自励磁同步电机系统结构示意图；

图2为本发明电机定子结构示意图；

图3为本发明电机的一种转子结构示意图；

图4为本发明电机的一种转子模块结构示意图；

图5为本发明电机转子压板结构示意图；

图6为本发明电机第二种笼障转子结构示意图；

图7为本发明电机第三种笼障转子结构示意图；

图8为本发明电机第四种笼障转子结构示意图；

图9为本发明电机只安装公共笼条的一种转子结构示意图；

图10为本发明电机公共笼条的一种端部连接方式示意图；

图11为本发明电机公共笼条的一种端部连接方式展开图；

图12为本发明电机公共笼条的第二种连接方式展开图；

图13为本发明电机公共笼条的第三种连接方式端部链接图；

图14为本发明电机短路笼条一种连接方式示意图；

图15为本发明电机短路笼条第二种连接方式端部链接图；

图16为本发明电机公共笼条和短路笼条安装示意图；

图17为本发明电机公共笼条和短路笼条的第二种连接方式展开图；

图18为本发明模块化笼障转子定子自励磁同步电机的PIMD控制原理示意图；

图19为本发明PIMD控制器的H_∞控制问题示意图。

附图标记说明：

1.定子；2.转子；3.可控直流电源；4.电网；5.电枢绕组；6.励磁绕组；7.隔磁层；8.导磁层；9.公共笼条；10短路笼条；11.定位孔；12.定位槽；13.套筒；14.转轴；15.模块间隙；16.槽楔；17.端部导电环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明：

图1为本发明模块化笼障转子定子自励磁同步电机系统结构示意图，该系统主要包括定子1、转子2、双向逆变器3，其中定子1上安放2p极的三相对称电枢绕组5和2q极的单相对称励磁绕组6，电枢绕组5和励磁绕组6极数亦可互换，且均满足2p-2q≥4，可实现定子两套不同极数的绕组电磁耦合最大化。定子两套不同极数的绕组电磁耦合最大化。电枢绕组5与电网4相连，励磁绕组6与可控直流电源3的相连。通过控直流电源3对励磁绕组6提供可调幅值的电压，可以调节该电机电枢绕组5输出电压和功率因数（作为发电机），也可以调节电机输出转矩（作为电动机）。

图2为本发明电机定子结构示意图，定子1内表面均匀开槽，槽内嵌放了两套极数分别为2p极和2q极的独立对称绕组，即电枢绕组5和励磁绕组6（或者是励磁绕组6和电枢绕组5），每个槽内嵌放多层绕组，每层绕组间都有绝缘，两种绕组可以采用双层或单层绕组，节距可以是整距或者短距。

图3为本发明电机的一种转子结构示意图，所述转子采用p_r个相同的笼障转子模块沿圆周方向拼成一个具有p_r个凸极型的转子，每个笼障转子模块内侧通过定位槽12与非导磁材料制成的套筒13相连，套筒13通过转轴上的定位销与转轴14固定在一起。

图4为笼障转子模块示意图，每个模块外表面开有多个径向梯形槽，每个梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个梯形槽内放入若干根导体组成短路笼条10，为了节省成本和简化工艺也可以只在部分梯形槽内放入导体；此外，相邻笼障转子模块相接处为阶梯型豁口，相邻笼障转子模块拼接后在其相接处形成p_r个公共梯形槽，且公共梯形槽底部的间隙15深度一直达到套筒13外表面，主要目的是隔离相邻模块磁通，使得各模块之间磁路相互独立无耦合，提高该电机两套绕组的耦合性能，整个转子外表面共有p_r个这样的梯形槽，将p_r个笼障转子模块沿圆周方向磁隔离，由于套筒13为非导磁材料，所以每个笼障转子模块之间也是不导磁的，各模块在结构和磁路两方面都相互独立，每个公共梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个公共梯形槽内放入若干根导体组成公共笼条9。放置公共笼条9和短路笼条10的梯形槽的槽口处开有内豁口并嵌放槽楔16，用来固定槽内笼条。梯形槽内靠近气隙的槽宽度大于或者等于靠近转轴的槽宽度，其目的是为了克服感应电流的集肤效应，梯形槽内的笼条层数可以为单层或者多层，根据阶梯槽内阶梯的数量选取层数，各层之间、笼条与转子之间均加有绝缘进行隔离，笼条通过端部连接在一起形成回路，本发明附图选取层数都为2，且外层槽宽大于内层槽宽。图3中笼障转子模块中心处开有多组切向隔磁层7，分别与各自两侧嵌放短路笼条的梯形槽组合形成多组U型径向叠片磁障，在笼障转子模块内形成多个导磁层8，其目的是增大交轴磁阻，减少直轴磁阻，便于磁通沿着有利于磁场调制的路径流通，另外，所有笼障转子模块之间磁路独立，在加入隔磁层7形成U型径向叠片磁障后，其磁场转换能力明显提高，而且隔磁层数越多，效果就越明显，但隔磁层太多时，其成本又会增大，因此隔磁层应选择为合适层数。此外，各导磁层宽度可以相等或者不等，宽度不等时则嵌放短路笼条的梯形槽间距不等，可以改变气隙磁阻分布，削弱不利磁场谐波幅值，增强有用磁场谐波幅值，提高定子两套绕组的耦合能力，减少附加损耗，改善电机的性能，在对性能要求不高时也可采用宽度相同的导磁层。每个笼障转子模块的内侧隔磁层内部和外侧隔磁层外部有多个定位孔11。

整个转子安装绕组后余下的公共梯形槽缝隙和模块内磁障缝隙内可浇注环氧树脂或者耐高温非导磁材料，其目是增强转子整体强度，减少噪声振动，也对笼条进行紧固定位；也可不进行浇注利用缝隙通风散热，降低电机的温升，提高电机性能，且这样依然可使各模块间的磁路没有耦合。笼障转子模块采用叠片轴向叠压而成，其目的可以减少转子铁芯中的涡流损耗，提高电机效率。转子采用模块化形式，使得仅加工一种转子模块就可以组装成整个转子，大大减少了工艺成本，生产电机外径较大的大功率电机，亦有益于该电机产业化。

图5为本发明电机转子压板结构示意图，转子压板位于笼障转子轴向两端，与转子外轮廓形状相同，压板与转子间加绝缘层隔离，压板上钻有与笼障转子定位孔11（见图3）位置相同定位孔11，非导磁材料制成的压紧螺杆沿轴向穿过全部定位孔11，压紧螺杆与转子模块间加绝缘隔离，在压板两端利用螺母压紧固定，外侧定位孔内穿过的定位螺杆对笼障转子模块起到了轴向压紧作用，也用以抵抗转子模块旋转时所承受的离心力。压板外侧与转子梯形槽相同位置和形状相同的梯形缝隙，公共笼条9和短路笼条10从该缝隙穿过，进行端部链接。

图6、图7和图8分别为本发明模块化笼障转子定子自励磁同步电机的三种转子结构示意图。该电机转子根据隔磁层的形状可分为两类：弧形磁障式转子结构（如图6和图7所示）和U形磁障式转子结构（如图8所示），不同形式的转子隔磁层结构都可以起到限制磁通路径的作用，使得磁通沿着有利于磁场调制的路径流通。该电机转子根据套筒形状可分为两类：圆形套筒（如图6和图8所示）和多边形套筒（如图7所示）。该电机转子根据套筒开槽形式可分为两类：矩形槽（如图6和图8所示）和燕尾槽（如图7所示）。

图9为本发明电机只安装公共笼条的一种转子结构示意图，此外也可采用只安装短路笼条形式和不安装任何笼条的形式。公共笼条和短路笼条都能起到磁场调制作用，由于公共笼条位于凸极中心处，所以其磁场调制效果比短路笼条明显，因此采用公共笼条和短路笼条的形式电机性能最佳，以后依次为只采用公共笼条的形式、只采用短路笼条的形式、不安装任何笼条的形式。

图10为本发明电机公共笼条的一种端部连接方式示意图，采用端部导电环17将公共梯形槽内同层的公共笼条9两侧端部连接在一起，形成p_r个网孔型导电回路，当外部磁通穿过导电回路的网孔中心时，会在其中感应出电动势，从而在回路中形成电流，该电流产生的磁场方向与外部磁通方向相反，从而影响流经转子的主磁通路径，使得主磁通从凸极处进入转子，起到了隔磁和改变磁通路径的作用，改善磁场调制效果，内层和外层的端部导电环17之间采用绝缘隔离，因此各层之间无电流流过，使得公共笼条9和端部导电环17的铜耗降低且磁场调制效果更佳。

图11为图10中公共笼条的端部连接方式展开图。

图12为本发明电机公共笼条的第二种连接方式展开图，将公共梯形槽内单层公共笼条9分成两部分，且相互绝缘隔离，两部分公共笼条分别与相邻公共梯形槽内的公共笼条通过端部导电环17相连，可将同一层公共笼条9连接成p_r个独立环形导电回路，其隔磁作用与图10相同，但内外两层也相互绝缘隔离，可以进一步减小公共笼条内电流，降低公共笼条9和端部导电环17的铜耗，提高磁场调制效果；也可以在相邻两个公共梯形槽内放置多匝线圈导体，其连接示意与图12相同，采用多匝绕组线圈，可以减小集肤效应，由于匝数较多其隔磁效果更加明显，使得电机磁场调制效果更好。

图13为本发明电机本发明电机公共笼条的第三种连接方式端部链接图，外层公共笼条9与单侧相邻梯形槽内的内层公共笼条9通过端部导电环17相连，形成p_r个不同层独立环形导电回路，其连接方式展开图与图12相同，所达到的效果也相同。

图14为本发明电机短路笼条一种连接方式示意图，每个笼障转子模块中，以笼障转子模块径向对称线为中心，将两侧相对应的同层短路笼条端部通过导体相连，形成多组独立的同心式环形导电回路，同样具有与公共笼条相似的隔磁作用，可以进一步改善磁场调制效果，每个环形回路相互绝缘隔离，内层短路笼条和外层短路笼条形成的环形回路也相互绝缘隔离。也可以在相对应的两个同层梯形槽内放置多匝线圈导体，形成多组独立的同心式环形多匝导电回路，采用多匝绕组线圈，可以减小集肤效应，由于匝数较多其隔磁效果更加明显，磁场调制效果好，同一转子模块上所形成的多组独立的同心式环形导电回路匝数可以相等也可以不等，不等式可以削弱磁场中不利的谐波磁场，提高定子两套绕组的耦合能力，减少附加损耗，进一步改善电机的性能。

图15为本发明电机短路笼条第二种连接方式端部链接图，外层短路笼条与相应梯形槽的内层短路笼条通过导体相连，形成多组独立的交叉型同心式环形回路，所达到的效果与图14中所述连接方式相同。

图16为本发明电机公共笼条和短路笼条安装示意图，图中公共笼条采用图10中的连接方式，短路笼条采用图14的连接方式。不论采用何种形式，所有公共笼条与短路笼条之间都采用绝缘隔离。

图17为第二种公共笼条和短路笼条连接方式展开图，图中同一侧端部的同层的公共笼条与短路笼条通过同一个端部导电环连接在一起。这样在不影响效果的前提下，不仅减少了端部连接环的数量，简化了电机端部结构，降低了电机重量，而且由于所有笼条一侧连接在一起，各导电环路内感应电势减少，流过的电流也减少，电机铜耗降低，效率提高。

图18为本发明模块化笼障转子定子自励磁同步电机的PIMD控制原理示意图，其中，ωr*为转速给定，ωr为转速输出，e为误差，u为控制输入信号，K(s)为控制器，Kp、Ki、Kd为控制参数，Td为延迟时间，J为转子机械惯量，B为转动阻尼系数，Kf为转矩系数，Tl为负载转矩，P(s)为被控对象的标称模型。

控制方式采用PIMD控制方法来实现模块化笼障转子定子自励磁同步电机的转速跟踪，其控制思想是针对模块化笼障转子定子自励磁同步电机具有不确定性参数变化和扰动影响的特点，利用负延迟方法，通过调整延迟时间来消除不确定干扰信号，并引入了H∞控制策略，进而提高系统的鲁棒性。

采用电枢绕组dq坐标系，则模块化笼障转子定子自励磁同步电机的电磁转矩方程为

$T_e=\frac{3}{2}(p_p+p_c){\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{dp}}{i}_{\mathrm{qc}}=J\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}+B{\mathrm{\ω}}_r+T_1---\left(1\right)$

式中，p_p和p_c分别表示电枢绕组和励磁绕组的极对数，Ψ_dp为电枢绕组磁链的d轴分量，i_qc为励磁绕组电流的q轴分量，T_e为总电磁转矩。

对式(1)两边进行拉氏变换，可得标称模型的传递函数为

$P\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{Js}+B}---\left(2\right)$

控制器的传递函数可表示为

$K\left(s\right)=\frac{U\left(s\right)}{E\left(s\right)}=K_p+\frac{K_i}{s}-K_d{e}^{-T_{d}s}---\left(3\right)$

对式(3)进行拉氏反变换，可得

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}-K_{d}e(t-T_d)$

$=(K_p-K_d)e\left(t\right)+T_d{K}_d\frac{e\left(t\right)-e(t-T_d)}{T_d}+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(4\right)$

$=K_{\mathrm{pn}}e\left(t\right)+K_{\mathrm{dn}}\·\frac{1}{T_d}{\∫}_{t-T_d}^t\stackrel{\·}{e}\left(t\right)\mathrm{dt}+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}$

式中，

是e(t)对时间t的导数；K_pn＝K_p-K_d，且K_p≥K_d；K_dn＝T_dK_d。

设误差e(t)中含有一由外部引起的正弦干扰d为

d＝Asin2πft  (5)

式中，A和f分别为干扰输入d的幅值和频率。当e(t)＝d(t)时，将其代入式(4)中，则第二项延迟项可写成

$\frac{1}{T_d}{\∫}_{t-T_d}^t\stackrel{\·}{d}\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{A}{T_d}[\sin 2\mathrm{\πft}-\sin 2\mathrm{\πf}(t-T_d)]---\left(6\right)$

如果令T_d＝N/f，其中N为自然数，那么

sin(2πft-2πfT_d)＝sin(2πft-2πN)

＝sin(2πft)cos(2πN)+cos(2πft)sin(2πN)

＝sin(2πft)

则式(6)为零，即也就是说，当延迟时间T_d趋近于N/f时，式(6)趋近于零，因此，通过调整延迟时间T_d，PIMD控制器即可消除微分项干扰输入。

图19为本发明PIMD控制器的H∞控制问题示意图，是在图18所示的PIMD控制原理示意图中加入权值函数，即可将其转化为H∞控制问题。设权值函数的状态空间形式为

$W_e\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}{A}_e& B_e\\ C_e& D_e\end{array}\right],W_u\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}{A}_u& B_u\\ C_u& D_u\end{array}\right]$

式中，W_e(s)和W_u(s)为加权函数，A_e、B_e、C_e、D_e、A_u、B_u、C_u、D_u为常数矩阵，

权值函数We(s)是由系统的性能要求决定的，由于系统的外部扰动和外部输入信号的频率通常较低，为保证系统能有效地抑制干扰和精确地跟踪信号，We(s)通常具有积分特性或高增益低通特性，再通过仿真实验进行反复试凑，可获得一个较佳的We(s)值；权值函数Wu(s)是使系统在有高频扰动作用下仍能保持稳定，为不增加控制器的阶次，通常取Wu(s)为一常数；权值函数Wd(s)反映负载扰动信号Tl的作用强弱，通常也取为一常数。

图19中的系统G(s)描述为

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+B_{1}w+B_{2}u\\ z=C_{1}x+D_{12}u\\ y=C_{2}x+D_{21}w\end{array}\right.$

即

$G\left(s\right)=\left[\begin{array}{ccc}A& B_1& B_2\\ C_1& 0& D_{12}\\ C_2& D_{21}& 0\end{array}\right]$

式中，x＝[x₁ x₂ x₃]^T为状态变量，y为观测输出信号，z＝[z₁ z₂]^T为评价信号，w＝T_l为干扰输入信号，A、B₁、B₂、C₁、C₂、D₁₂、D₂₁为常数矩阵，K＝[K_p K_i K_d]为所要求解的控制器。由图19可得增广被控对象G(s)的状态空间实现为

再利用MATLAB软件中的hinfsyn函数，反复求解控制器K，直至满足H_∞次优设计指标

||LFT(G,K)||_∞＜γ  (8)

式中，||·||_∞为无穷范数，LFT(G,K)为下线性分式变换，γ为很小的常数。

所提出采用的PIMD控制方法可实现模块化笼障转子定子自励磁同步电机的转速跟踪，有效地抑制了系统的不确定负载扰动，具有较强的鲁棒性，大大提高了该种交流电机的抗干扰能力。

Claims (9)

1.模块化笼障转子定子自励磁同步电机，主要包括定子（1）、转子（2）、双向逆变器（3），其特征在于：在定子（1）上安放2p极的三相对称电枢绕组（5）和2q极的单相对称励磁绕组（6），或者电枢绕组（5）的极数和励磁绕组（6）的极数互换，且均满足2p-2q≥4，转子（2）由p_r=p+q个相同的笼障转子模块沿圆周方向拼成一个具有p_r个凸极型的转子，每个笼障转子模块内侧通过定位槽（12）与非导磁材料制成的套筒（13）相连，套筒（13）通过转轴上的定位销与转轴（14）固定在一起；每个笼障转子模块外表面开有多个径向梯形槽，径向梯形槽间距相等或者不等，每个梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个梯形槽内放入若干根导体组成短路笼条（10）；相邻笼障转子模块相接处为阶梯型豁口，相邻笼障转子模块拼接后在其相接处形成p_r个公共梯形槽，且公共梯形槽底部的间隙(15)深度一直达到套筒（13）外表面，每个公共梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个公共梯形槽内放入若干根导体组成公共笼条（9）；公共笼条（9）和短路笼条（10）分别采用端部导电环（17）连接形成导电回路；笼障转子模块中心处开有多组切向隔磁层（7），分别与各自两侧嵌放短路笼条（10）的梯形槽组合形成多组径向叠片磁障，在笼障转子模块内形成多个导磁层（8）。

2.权利要求1所述模块化笼障转子定子自励磁同步电机，其特征在于：电枢绕组（5）与电网（4）相连，励磁绕组（6）与可控直流电源（3）相连。

3.权利要求1所述模块化笼障转子定子自励磁同步电机，其特征在于：放置公共笼条（9）和短路笼条（10）的梯形槽的槽口处开有内豁口并嵌放槽楔（16）；公共笼条（9）端部链接形式可以为：端部导电环（17）将公共梯形槽内同层的公共笼条（9）两侧端部全部连在一起；也可以将公共梯形槽内单层公共笼条（9）分成两部分，两部分公共笼条（9）分别与相邻公共梯形槽内同层的公共笼条通过端部导电环（17）相连；也可以将公共梯形槽内外层公共笼条（9）与单侧相邻公共梯形槽内的内层公共笼条（9）通过端部导电环（17）相连；也可以在相邻两个公共梯形槽内放置多匝线圈导体；短路笼条（10）端部链接形式可以为：以笼障转子模块径向对称线为中心，将两侧相对应的同层短路笼条（10）端部通过导体相连，形成多组独立的同心式环形导电回路；也可以将外层短路笼条与相对应梯形槽的内层短路笼条通过导体相连，形成多组独立的交叉型同心式环形回路；也可以在相对应的两个同层梯形槽内放置多匝线圈导体，同一转子模块上的多组线圈导体匝数可以相同也可不同。

4.权利要求1所述模块化笼障转子定子自励磁同步电机，其特征在于：笼障转子两端装有压板，压板与转子间加绝缘层隔离，压板上钻有与笼障转子定位孔（11）位置相同的定位孔（11），非导磁材料制成的压紧螺杆沿轴向穿过全部定位孔（11），在压板两端利用螺母压紧固定。

5.权利要求1所述模块化笼障转子定子自励磁同步电机，其特征在于：整个转子安装绕组后余下的公共梯形槽缝隙和模块内磁障缝隙内可浇注耐高温非导磁材料或者不浇筑。

6.权利要求1所述模块化笼障转子定子自励磁同步电机，其特征在于：套筒（13）的形式可以为圆形套筒或多边形套筒；套筒上用于安装转子模块的定位槽形式为矩形槽或燕尾槽。

7.权利要求1所述模块化笼障转子定子自励磁同步电机，其特征在于：转子模块隔磁层的形状可以为弧形磁障缝隙或U形磁障缝隙。

8.一种如权利要求1所述模块化笼障转子定子自励磁同步电机的控制方法，其特征在于：控制方式采用PIMD控制方法来实现模块化笼障转子定子自励磁同步电机的转速跟踪，其控制思想是针对模块化笼障转子定子自励磁同步电机具有不确定性参数变化和扰动影响的特点，利用负延迟方法，通过调整延迟时间来消除不确定干扰信号，并引入了H∞控制策略，进而提高系统的鲁棒性；具体为：采用电枢绕组dq坐标系，则模块化笼障转子定子自励磁同步电机的电磁转矩方程为

$T_e=\frac{3}{2}(p_p+p_c){\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{dp}}{i}_{\mathrm{qc}}=J\frac{d{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{dt}}+B{\mathrm{\ω}}_r+T_1---\left(1\right)$ 式中，p_p和p_c分别表示电枢绕组和励磁绕组的极对数，Ψ_dp为电枢绕组磁链的d轴分量，i_qc为励磁绕组电流的q轴分量，ω_r为转速输出，J为转子机械惯量，B为转动阻尼系数，T_e为总电磁转矩，T_l为负载转矩；

对式(1)两边进行拉氏变换，可得标称模型的传递函数P(s)为

$P\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{Js}+B}---\left(2\right)$

控制器的传递函数可表示为

$K\left(s\right)=\frac{U\left(s\right)}{E\left(s\right)}=K_p+\frac{K_i}{s}-K_d{e}^{-T_{d}s}---\left(3\right)$ 式中，E（或e）为误差，U（或u）为控制输入信号，K(s)为控制器，K_p、K_i、K_d为控制参数，T_d为延迟时间；

对式(3)进行拉氏反变换，可得

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}-K_{d}e(t-T_d)$

$=(K_p-K_d)e\left(t\right)+T_d{K}_d\frac{e\left(t\right)-e(t-T_d)}{T_d}+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(4\right)$

$=K_{\mathrm{pn}}e\left(t\right)+K_{\mathrm{dn}}\·\frac{1}{T_d}{\∫}_{t-T_d}^t\stackrel{\·}{e}\left(t\right)\mathrm{dt}+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}$

式中，

是e(t)对时间t的导数；K_pn＝K_p-K_d，且K_p≥K_d；K_dn＝T_dK_d。

设误差e(t)中含有一由外部引起的正弦干扰d为

d＝Asin2πft    (5)式中，A和f分别为干扰输入d的幅值和频率；当e(t)＝d(t)时，将其代入式(4)中，则第二项延迟项可写成

$\frac{1}{T_d}{\∫}_{t-T_d}^t\stackrel{\·}{d}\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{A}{T_d}[\sin 2\mathrm{\πft}-\sin 2\mathrm{\πf}(t-T_d)]---\left(6\right)$

如果令T_d＝N/f，其中N为自然数，那么

sin(2πft-2πfT_d)＝sin(2πft-2πN)

＝sin(2πft)cos(2πN)+cos(2πft)sin(2πN)

＝sin(2πft)

则式(6)为零，即

也就是说，当延迟时间T_d趋近于N/f时，式(6)趋近于零，因此，通过调整延迟时间T_d，PIMD控制器即可消除微分项干扰输入。

9.根据权利要求8所述的模块化笼障转子定子自励磁同步电机的控制方法，其特征在于：在PIMD控制中加入权值函数，即可将其转化为H_∞控制问题；设权值函数的状态空间形式为

$W_e\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}{A}_e& B_e\\ C_e& D_e\end{array}\right],$ $W_u\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}{A}_u& B_u\\ C_u& D_u\end{array}\right]$

式中，W_e(s)和W_u(s)为加权函数，A_e、B_e、C_e、D_e、A_u、B_u、C_u、D_u为常数矩阵；

权值函数W_e(s)是由系统的性能要求决定的，由于系统的外部扰动和外部输入信号的频率通常较低，为保证系统能有效地抑制干扰和精确地跟踪信号，W_e(s)通常具有积分特性或高增益低通特性，再通过仿真实验进行反复试凑，可获得一个较佳的W_e(s)值；权值函数W_u(s)是使系统在有高频扰动作用下仍能保持稳定，为不增加控制器的阶次，通常取W_u(s)为一常数；权值函数W_d(s)反映负载扰动信号Tl的作用强弱，通常也取为一常数；

系统G(s)描述为

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+B_{1}w+B_{2}u\\ z=C_{1}x+D_{12}u\\ y=C_{2}x+D_{21}w\end{array}\right.$

即

$G\left(s\right)=\left[\begin{array}{ccc}A& B_1& B_2\\ C_1& 0& D_{12}\\ C_2& D_{21}& 0\end{array}\right]$

式中，x＝[x₁ x₂ x₃]^T为状态变量，y为观测输出信号，z＝[z₁ z₂]^T为评价信号，w＝T_l为干扰输入信号，A、B₁、B₂、C₁、C₂、D₁₂、D₂₁为常数矩阵，K＝[K_p K_i K_d]为所要求解的控制器；增广被控对象G(s)的状态空间实现为

再利用MATLAB软件中的hinfsyn函数，反复求解控制器K，直至满足H_∞次优设计指标

||LFT(G,K)||_∞＜γ    (8)

式中，||·||∞为无穷范数，LFT(G,K)为下线性分式变换，γ为很小的常数。

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