CN103166395B - 具有双笼障转子的定子自励磁同步电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有双笼障转子的定子自励磁同步电机。其特征在于：内转子和外转子分别位于定子内外两侧，在定子内外表面槽内均安放三相对称电枢绕组和单相励磁绕组，转子靠近定子侧采用相同的笼障转子模块沿圆周方向拼成一个具有凸极型的转子，每个笼障转子模块通过定位槽与套筒相连；笼障转子模块开有多个梯形槽，梯形槽内放入短路笼条，相邻笼障转子模块相接处为阶梯型豁口，相邻模块拼接后在其相接处形成公共梯形槽，槽底部的间隙深度达到套筒表面，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，又可实现定子无刷自励磁，从而具有高功率密度和优良稳态与动态性能的新型具有双笼障转子的定子自励磁同步电机。

Description

具有双笼障转子的定子自励磁同步电机及其控制方法

技术领域：

本发明涉及一种交流电机，特别是一种具有双笼障转子的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：

具有双笼障转子的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，常规定子双绕组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：本发明提供一种具有双笼障转子的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具有双笼障转子的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：

具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，主要包括定子、内转子、外转子双向逆变器，其特征在于：内转子和外转子分别位于定子的内外两侧，两个转子通过法兰盘同轴连接在一起，其中定子内外两侧均安放2p极的三相对称电枢绕组和2q极的三相对称励磁绕组，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；内转子和外转子分别由p_r＝p+q个相同的笼障转子模块沿圆周方向拼成具有p_r个凸极型的转子，笼障内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；外转子笼障模块外侧通过外定位槽与非导磁材料制成的外套筒相连；每个笼障内转子模块外表面开有多个径向梯形槽，每个笼障外转子模块内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，对于内转子和外转子，所有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深度一直达到套筒表面，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；笼障内转子模块和笼障外转子模块中心处都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，励磁绕组与双向逆变器的一端相连，双向逆变器另一端与电网相连。

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全部连在一起；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槽内同层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。

笼障内转子和外转子的两端分别装有压板，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的定位孔，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。

内转子和外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。

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

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。

一种如上所述具有双笼障转子的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控制方法来实现具有双笼障转子的定子自励磁同步电机的转速跟踪，其控制思想是针对具有双笼障转子的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，则具有双笼障转子的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

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

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

$\begin{array}{c}u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}-K_{d}e(t-T_d)\\ =(K_p-K_d)e\left(t\right)+T_d{K}_d\frac{e\left(t\right)-e\left({t-T}_d\right)}{T_d}+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}\\ =K_{\mathrm{pn}}e\left(t\right)+K_{\mathrm{dn}}\·\frac{1}{T_d}{\∫}_{t-T_d}^t\stackrel{\·}{e}\left(t\right)\mathrm{dt}+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}\end{array}---\left(4\right)$

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

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

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具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，该种交流电机具有定子内外两侧均安装绕组，任一侧2套定子绕组都具有耦合能力强、功率密度和机电能量转换效率高的特点，该电机结构模块化、工艺简单、便于制成大型交流电机。

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控制方法来实现具有双笼障转子的定子自励磁同步电机的转速跟踪，该种控制方法针对具有双笼障转子的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为本发明具有双笼障转子的定子自励磁同步电机系统结构示意图；

图2为本发明电机一种定子结构示意图；

图3为本发明电机另一种定子结构示意图；

图4为本发明电机的一种内转子结构示意图；

图5为本发明电机的一种内转子模块结构示意图；

图6为本发明电机内转子压板结构示意图；

图7为本发明电机第二种内转子结构示意图；

图8为本发明电机的一种外转子结构示意图；

图9为本发明电机的一种外转子模块结构示意图；

图10为本发明电机外转子压板结构示意图；

图11为本发明电机内转子只安装公共笼条的一种结构示意图；

图12为本发明电机公共笼条的一种端部连接方式示意图；

图13为本发明电机公共笼条的一种端部连接方式展开图；

图14为本发明电机公共笼条的第二种连接方式展开图；

图15为本发明电机公共笼条的第三种连接方式端部链接图；

图16为本发明电机短路笼条一种连接方式示意图；

图17为本发明电机短路笼条第二种连接方式端部链接图；

图18为本发明电机公共笼条和短路笼条安装示意图；

图19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20为本发明具有双笼障转子的定子自励磁同步电机的PIMD控制原理示意图；

图21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.内转子；3.外转子；4.可控直流电源；5.电网；6.电枢绕组；7.励磁绕组；8.隔磁层；9.导磁层；10.公共笼条；11.短路笼条；12.定位孔；13.定位槽；14.套筒；15.转轴；16.模块间隙；17.槽楔；18.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为本发明具有双笼障转子的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、内转子2、外转子3、可控直流电源4，内转子2和外转子3分别位于定子1的内外两侧，两个转子通过法兰盘同轴连接在一起，其中定子1内外两侧均安放2p极的三相对称电枢绕组6和2q极的三相对称励磁绕组7，电枢绕组6的极数和励磁绕组7的极数亦可互换，但均满足2p-2q≥4，可实现定子单侧两套不同极数的绕组电磁耦合最大化。电枢绕组6与电网5相连，励磁绕组7与可控直流电源4相连。通过可控直流电源4对励磁绕组7提供可调幅值的电压，可以调节该电机电枢绕组6输出电压和功率因数(作为发电机)，也可以调节电机输出两个转子共同输出的转速和转矩(作为电动机)。

图2为本发明电机定子结构示意图，定子1外表面和内表面均匀开槽，两侧槽内均嵌放两套极数分别为2p极和2q极的独立对称绕组，即电枢绕组6和励磁绕组7，每个槽内嵌放多层绕组，每层绕组间都有绝缘，两套绕组可以采用双层或单层绕组，节距可以是整距或者短距，定子1内外两侧槽内电枢绕组6可以串联或者并联，内外两侧槽内的励磁绕组7亦可以串联或者并联。

图3为本发明电机另一种定子结构示意图，定子1内侧槽的径向中心线与外侧相邻槽间的齿部径向中心线重合，其目的是使得内外两侧的槽沿圆周方向互差一个角度，使得所有定子槽底部在定子中心圆环处交错排列，减小定子轭宽度，进而减少铁耗和定子体积，提高电机效率和功率密度。

图4为本发明电机的一种内转子结构示意图，所述内转子采用p_r个相同的笼障内转子模块沿圆周方向拼成一个具有p_r个凸极型的内转子，每个笼障内转子模块内侧通过定位槽13与非导磁材料制成的套筒14相连。

图5为本发明电机的内转子模块示意图，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11，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组成短路笼条11；此外，相邻笼障内转子模块相接处为阶梯型豁口，两个相邻笼障内转子模块拼接后在其相接处形成一个公共梯形槽，且公共梯形槽底部的间隙16深度一直达到套筒14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，提高该定子内侧两套绕组的耦合性能，整个内转子2外表面共有p_r个这样的公共梯形槽，将p_r个笼障转子模块沿圆周方向磁隔离，由于套筒14为非导磁材料，所以每个笼障内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10。放置公共笼条10和短路笼条11的梯形槽的槽口处开有内豁口并嵌放槽楔17，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，本发明选取层数都为2，内转子的外层槽宽大于内层槽宽。图4中笼障转子模块中心处开有多组切向隔磁层8，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9，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。每个内转子笼障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。

图6为本发明电机内转子压板结构示意图，内转子压板位于笼障内转子轴向两端，与内转子外轮廓形状相同，压板与内转子间加绝缘层隔离，压板上钻有与笼障内转子定位孔12(见图4)位置相同定位孔12，非导磁材料制成的压紧螺杆沿轴向穿过全部定位孔12，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压紧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。压板外侧与内转子梯形槽相同位置和形状相同的梯形缝隙，公共笼条10和短路笼条11从该缝隙穿过，进行端部链接。

图7为本发明电机的第二种内转子结构示意图。该电机外转子根据隔磁层的形状可分为两类：弧形磁障式外转子结构(如图7所示)和U形磁障式外转子结构(如图4所示)，不同形式的外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。该电机外转子根据套筒开槽形式可分为两类：矩形槽(如图4所示)和燕尾槽(如图7所示)。

图8为本发明电机的一种外转子结构示意图，所述外转子采用p_r个相同的笼障外转子模块沿圆周方向拼成一个具有p_r个凸极型的外转子，每个笼障外转子模块外侧通过外定位槽与非导磁材料制成的外套筒相连。

图9为本发明电机的笼障外转子模块示意图，每个模块内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11，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，相邻笼障外转子模块相接处为阶梯型豁口，两个相邻笼障外转子模块拼接后在其相接处形成一个公共梯形槽，且该槽底部的模块间隙16深度一直达到套筒14内表面，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，整个外转子内表面共有p_r个这样的公共梯形槽，将p_r个笼障外转子模块沿圆周方向磁隔离，由于套筒14为非导磁材料，所以每个笼障外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10。放置公共笼条10和短路笼条11的梯形槽的槽口处开有内豁口并嵌放槽楔17，用来固定槽内笼条。所有梯形槽内靠近气隙的槽宽度大于或者等于靠近套筒14的槽宽度，其目的是为了克服感应电流的集肤效应，小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，本发明选取外转子梯形槽的内层槽宽大于外层槽宽。图8中笼障外转子模块中心处开有多组切向隔磁层8，分别与各自两侧嵌放短路绕组的倒梯形槽组合形成多组U型径向叠片磁障，在笼障外转子模块内形成多个导磁层9，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。每个外转子笼障模块的外侧隔磁层外部有多个定位孔11。

所有内转子和外转子笼障模块之间磁路独立，在加入隔磁层8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，提高相对应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。

所有内转子和外转子的笼障模块未安装绕组的倒梯形槽缝隙和隔磁层内可浇注环氧树脂或者由其它耐高温非导磁材料，其目是增强外转子强度并对绕组进行定位，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10为本发明电机外转子压板结构示意图，外转子压板位于笼障外转子轴向两端，与外转子外轮廓形状相同，压板与外转子间加绝缘层隔离，压板上钻有与笼障外转子定位孔12(见图8)位置相同定位孔12，非导磁材料制成的压紧螺杆沿轴向穿过全部定位孔12，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。压板内侧与外转子梯形槽相同位置和形状相同的梯形缝隙，外转子上的公共笼条10和短路笼条11从该缝隙穿过，进行端部链接。

图11为本发明电机内转子只安装公共笼条的一种结构示意图，没有安装短路笼条，此外也可采用只安装短路笼条形式和不安装笼条的形式，对于外转子也是如此。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12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18将公共梯形槽内同层的公共笼条10两侧端部连接在一起，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18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10和端部导电环18的铜耗降低且磁场调制效果更佳。

图13为图12中公共笼条的端部连接方式展开图。

图14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10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18相连，可将同一层公共笼条10连接成p_r个独立环形导电回路，其隔磁作用与图12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10和端部导电环18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13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15为本发明电机公共笼条的第三种连接方式端部链接图，内层公共笼条与单侧相邻倒梯形槽内的外层公共笼条通过端部导体相连，形成p_r个独立环形导电回路，其连接方式展开图与图11相同，所达到的效果也相同。

图16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17为本发明电机短路笼条第二种连接方式端部链接图，内层短路笼条与相应梯形槽的外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13中所述连接方式相同。

图18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9中的连接方式，短路笼条采用图13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19为第二种公共笼条和短路笼条连接方式展开图，图中同一侧端部的公共笼条与短路笼条通过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。

上述公共笼条和短路笼条的连接方式同时适用于外转子和内转子。

图20为本发明笼障拼装外转子定子双绕组交流电机的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为外转子机械惯量，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控制方法来实现笼障拼装外转子定子双绕组交流电机的转速跟踪，其控制思想是针对笼障拼装外转子定子双绕组交流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，则笼障拼装外转子定子双绕组交流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

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

对式(3)进行拉氏反变换，可得

$\begin{array}{c}u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}-K_{d}e(t-T_d)\\ =(K_p-K_d)e\left(t\right)+T_d{K}_d\frac{e\left(t\right)-e\left({t-T}_d\right)}{T_d}+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}\\ =K_{\mathrm{pn}}e\left(t\right)+K_{\mathrm{dn}}\·\frac{1}{T_d}{\∫}_{t-T_d}^t\stackrel{\·}{e}\left(t\right)\mathrm{dt}+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}\end{array}---\left(4\right)$

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

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

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21为本发明PIMD控制器的H∞控制问题示意图，是在图20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21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20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控制方法可实现笼障拼装外转子定子双绕组交流电机的转速跟踪，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。

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控制方法可实现具有双笼障转子的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.具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，主要包括定子(1)、内转子(2)、外转子(3)、可控直流电源(4)，其特征在于：内转子(2)和外转子(3)分别位于定子(1)的内外两侧，两个转子通过法兰盘同轴连接在一起，其中定子(1)内外两侧均安放2p极的三相对称电枢绕组(6)和2q极的单相对称励磁绕组(7)，或者电枢绕组(6)的极数和励磁绕组(7)的极数互换，且均满足2p-2q≥4；内转子(2)和外转子(3)分别由p_r＝p+q个相同的笼障转子模块沿圆周方向拼成具有p_r个凸极型的转子，笼障内转子模块内侧通过定位槽(13)与非导磁材料制成的套筒(14)相连，套筒(14)通过转轴上的定位销与转轴(15)固定在一起；笼障外转子模块外侧通过外定位槽与非导磁材料制成的外套筒相连；每个笼障内转子模块外表面开有多个径向梯形槽，每个笼障外转子模块内表面开有多个径向梯形槽，内转子模块以及外转子模块上的径向梯形槽间距相等或者不等，对于内转子和外转子，所有径向梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个径向梯形槽内放入若干根导体组成短路笼条(11)，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(16)深度一直达到笼障内转子以及笼障外转子的套筒(14)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(10)；公共笼条(10)和短路笼条(11)分别采用端部导电环(18)连接形成导电回路；笼障内转子模块和笼障外转子模块中心处都开有多组切向隔磁层(8)，分别与各自两侧嵌放短路笼条(11)的径向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(9)。

2.权利要求1所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，其特征在于：电枢绕组(6)与电网(5)相连，励磁绕组(7)与双向逆变器(4)的一端相连，双向逆变器(4)另一端与电网(5)相连。

3.权利要求1所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，其特征在于：放置公共笼条(10)的公共梯形槽和放置短路笼条(11)的径向梯形槽的槽口处开有内豁口并嵌放槽楔(17)；公共笼条(10)端部链接形式为：端部导电环(18)将公共梯形槽内同层的公共笼条(10)两侧端部全部连在一起；或将公共梯形槽内单层公共笼条(10)分成两部分，两部分公共笼条(10)分别与相邻公共梯形槽内同层的公共笼条(10)通过端部导电环(18)相连；或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(10)通过端部导电环(18)相连；或在相邻两个公共梯形槽内放置多匝线圈导体；短路笼条(11)端部链接形式为：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(11)端部通过导体相连，形成多组独立的同心式环形导电回路；或将外层短路笼条与相对应的径向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；或在相对应的两个同层径向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相同或不同。

4.权利要求1所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，其特征在于：笼障内转子和外转子的两端分别装有压板，压板与内转子以及外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所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，其特征在于：内转子和外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铸耐高温非导磁材料或者不浇铸。

6.权利要求1所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，其特征在于：套筒(13)上用于安装笼障转子模块的定位槽形式为矩形槽或燕尾槽；内转子套筒(13)的形式为圆形套筒或多边形套筒。

7.权利要求1所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，其特征在于：笼障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所述具有双笼障转子的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控制方法来实现具有双笼障转子的定子自励磁同步电机的转速跟踪，其控制思想是针对具有双笼障转子的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，则具有双笼障转子的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为误差，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

$\begin{array}{c}u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}-K_{d}e(t-T_d)\\ =(K_p-K_d)e\left(t\right)+T_d{K}_d\frac{e\left(t\right)-e(t-T_d)}{T_d}+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}\\ =K_{\mathrm{pn}}e\left(t\right)+K_{\mathrm{dn}}\·\frac{1}{T_d}{\∫}_{t-T_d}^t\stackrel{\·}{e}\left(t\right)\mathrm{dt}+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}\end{array}---\left(4\right)$

式中，e为误差，u为控制输入信号，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所述的具有双笼障转子的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

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)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，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，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为常数，K_f为转矩系数。