CN103166547B - 一种调节谐波转矩的开关磁通永磁电机激振源 - Google Patents

Abstract

一种调节谐波转矩的开关磁通永磁电机激振源，包括主控系统，指令电流配置模块输出含特定谐波分量的电流指令到主控系统，主控系统通过驱动系统和检测系统，驱动三个单相H逆变桥控制开关磁通电机的各相电流跟踪含特定谐波分量的电流指令，从而使开关磁通永磁电机产生谐波转矩脉动，通过改变电流指令中谐波分量的幅值，控制开关磁通永磁电机的输出谐波转矩的脉动幅值，本发明利用开关磁通永磁电动机直接产生谐波转矩脉动，具有较好的鲁棒性，谐波转矩的幅值通过调节输入电流谐波分量的幅值控制，谐波转矩的脉动频率通过凸极转子铁心的凸极数和电机转速调节，实现转矩脉动的频率和幅值的灵活控制，可作为直驱式激振源应用于不同的振动场合。

Description

一种调节谐波转矩的开关磁通永磁电机激振源

技术领域

本发明属于激振源技术领域，特别涉及一种调节谐波转矩的开关磁通永磁电机激振源。

背景技术

目前由交流电机驱动的激振源通常利用闭环系统，通过速度或位移指令的跟踪控制产生旋转振动，其缺点在于需要电机进行频繁的正反转运动，输入电流需要频繁换向，使电机发热量大，铜耗高，效率低，维护费用高。

开关磁通永磁电机是一种永磁体安装在电机定子上的交流电机，电机转子只有转子铁心，具有很好的鲁棒性，且输出转矩存在较大的谐波转矩波动。有利于实现频繁振动。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种调节谐波转矩的开关磁通永磁电机激振源，可有效地通过对开关磁通永磁电机输入特定幅值和频率的谐波电流，调节电机输出谐波转矩的幅值和频率产生振动。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种调节谐波转矩的开关磁通永磁电机激振源，包括主控系统3，指令电流配置模块2和主控系统3双向连接，指令电流配置模块2输出含特定谐波分量的电流指令到主控系统3，主控系统3和驱动电路7的输入连接，主控系统3和检测电路8双向连接，驱动电路7的输出和3个单相H逆变桥6的控制端连接，三相电源通过整流桥4和储能滤波电容5与3个单相H逆变桥6的上下母线端连接，主控系统3通过驱动电路7和检测电路8，驱动3个单相H逆变桥6控制开关磁通永磁电机1的各相电流跟踪含特定谐波分量的电流指令，从而使开关磁通永磁电机1产生谐波转矩脉动，通过改变电流指令中谐波分量的幅值，控制开关磁通永磁电机1的输出谐波转矩的脉动幅值。

所述开关磁通永磁电机1由U型定子铁心模块11、矩形磁钢12、电枢线圈13和凸极转子铁心14组成，矩形磁钢12沿周向充磁，间隔放置在两个U形定子铁心模块11之间，且相邻两个矩形磁钢12充磁方向相反，电枢线圈13缠绕在两个U型定子铁心模块11和矩形磁钢12的“三文治”上，凸极转子铁心14的凸极沿周向均匀分布。

U型定子铁心模块11为单齿式、双齿式或多齿式结构。

在设计开关磁通永磁电机1时，根据开关磁通永磁电机1运行的转速范围和要求的输出谐波转矩的脉动频率选择凸极转子铁心14，在电机运行时再通过调整电机转速来改变开关磁通永磁电机1的输出谐波转矩的脉动频率，具体为：开关磁通电机的基波角频率为

${\mathrm{\ω}}_r=2\mathrm{\πf}=\frac{\mathrm{\π}}{3}{P}_r{n}_r$

式中，f为输入电流的基波频率，P_r为凸极转子铁心的凸极数，n_r为电机转速，则输出谐波转矩的脉动频率为

$f_v=6f=\frac{P_r{n}_r}{10}$

因此，输出谐波转矩的脉动频率与凸极转子铁心的凸极数和电机转速相关，在设计电机时，根据电机运行的转速范围和要求的脉动频率选择P_r，在电机运行时再通过调整电机转速来改变谐波转矩的脉动频率。

与现有的技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出特点和显著优点：利用开关磁通永磁电动机直接产生谐波转矩脉动，具有较好的鲁棒性。谐波转矩的幅值可通过调节输入电流谐波分量的幅值控制，谐波转矩的脉动频率可通过凸极转子铁心的凸极数和电机转速调节，从而实现转矩脉动的频率和幅值的灵活控制，可作为直驱式激振源应用于不同的振动场合。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是图1中的开关磁通永磁电机1结构示意图，图2(a)为单齿式U型定子铁心模块11结构，图2(b)双齿式U型定子铁心模块11结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图1所示，一种调节谐波转矩的开关磁通永磁电机激振源，包括主控系统3，指令电流配置模块2和主控系统3双向连接，指令电流配置模块2输出含特定谐波分量的电流指令到主控系统3，主控系统3和驱动电路7的输入连接，主控系统3和检测电路8双向连接，驱动电路7的输出和3个单相H逆变桥6的控制端连接，三相电源通过整流桥4和储能滤波电容5与3个单相H逆变桥6的上下母线端连接，主控系统3通过驱动电路7和检测电路8，驱动3个单相H逆变桥6控制开关磁通永磁电机1的各相电流跟踪含特定谐波分量的电流指令，从而使开关磁通永磁电机1产生谐波转矩脉动，通过改变电流指令中谐波分量的幅值，控制开关磁通永磁电机1的输出谐波转矩的脉动幅值。

如图2所示，所述开关磁通永磁电机1由U型定子铁心模块11、矩形磁钢12、电枢线圈13和凸极转子铁心14组成，矩形磁钢12沿周向充磁，间隔放置在两个U形定子铁心模块11之间，且相邻两个矩形磁钢12充磁方向相反，电枢线圈13缠绕在两个U型定子铁心模块11和矩形磁钢12的“三文治”上，凸极转子铁心14的凸极沿周向均匀分布。

如图2(a)和图2(b)所示，U型定子铁心模块11为成单齿式、双齿式或多齿式结构，图2(a)为单齿式U型定子铁心模块11结构，图2(b)双齿式U型定子铁心模块11结构。

所述在设计开关磁通永磁电机1时，根据开关磁通永磁电机1运行的转速范围和要求的输出谐波转矩的脉动频率选择凸极转子铁心14，在电机运行时再通过调整电机转速来改变开关磁通永磁电机1的输出谐波转矩的脉动频率，具体为：开关磁通电机的基波角频率为

${\mathrm{\ω}}_r=2\mathrm{\πf}=\frac{\mathrm{\π}}{3}{P}_r{n}_r$

式中，f为输入电流的基波频率，P_r为凸极转子铁心的凸极数，n_r为电机转速，则输出谐波转矩的脉动频率为

$f_v=6f=\frac{P_r{n}_r}{10}$

因此，输出谐波转矩的脉动频率与凸极转子铁心的凸极数和电机转速相关，在设计电机时，根据电机运行的转速范围和要求的脉动频率选择P_r，在电机运行时再通过调整电机转速来改变谐波转矩的脉动频率。

本发明的工作原理为：

所述开关磁通永磁电机1的反电动势和电流产生电磁转矩，其中开关磁通永磁电机1的反电动势和电流的谐波分量产生脉动的谐波转矩。假设输入电流不含偶次谐波，若电枢线圈为Y联结，且没有中线，则定子相电流中不含3次和3的倍数次谐波。而在转子永磁励磁磁场中，5次谐波和7次谐波是主要的，忽略7次以上的高次谐波。于是，在定子电流基波分量与感应电动势基波分量同相位的情况下，可将A相电流和感应电动势写为：

i_A(t)=I_m1sinω_rt+I_m5sin5ω_rt+I_m7sin7ω_rt

e_A(t)=E_m1sinω_rt+E_m5sin5ω_rt+E_m7sin7ω_rt

式中，ω_r为基波角频率，在稳态运行下，就是转子电角速度。

A相电磁功率为

P_eA(t)=e_A(t)i_A(t)=P₀+P₂cos2ω_rt+P₄cos4ω_rt+P₆cos6ω_rt

同理，B相和C相电磁功率为

P_eB(t)=e_B(t)i_B(t)=P₀+P₂cos2(ω_rt-2π/3)+P₄cos4(ω_rt-2π/3)+P₆cos6(ω_rt-2π/3)

P_eC(t)=e_C(t)i_C(t)=P₀+P₂cos2(ω_rt+2π/3)+P₄cos4(ω_rt+2π/3)+P₆cos6(ω_rt+2π/3)

电磁功率产生的电磁转矩为

$T_e\left(t\right)=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_r}(P_{\mathrm{eA}}\left(t\right)+P_{\mathrm{eB}}\left(t\right)+P_{\mathrm{eC}}\left(t\right))$

$=T_0+T_6\cos 6{\mathrm{\ω}}_{r}t+T_{12}\cos 12{\mathrm{\ω}}_{r}t$

式中，T₀为次数相同的反电动势和电流的谐波分量作用后产生的平均转矩

$T_0=\frac{3}{2{\mathrm{\Ω}}_r}(E_{m1}{I}_{m1}+E_{m5}{I}_{m5}+E_{m7}{I}_{m7})$

T₆,T₁₂为不同次数的反电动势和电流的谐波分量作用后产生的脉动频率为基波频率6倍次和12倍次的谐波转矩

$T_6=\frac{3}{2{\mathrm{\Ω}}_r}[I_{m1}(E_{m7}-E_{m5})-I_{m5}{E}_{m1}+I_{m7}{E}_{m1}]$

$T_{12}=-\frac{3}{2{\mathrm{\Ω}}_r}(I_{m5}{E}_{m7}+I_{m7}{E}_{m5})$

T₁₂只含幅值较小的高次谐波分量，可忽略不计。因此谐波转矩脉动为脉动频率为基波频率6倍的谐波转矩T₆。通过改变所述指令电流的谐波分量的幅值大小，可控制开关磁通永磁电机输出的谐波转矩脉动的幅值。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种调节谐波转矩的开关磁通永磁电机激振源，包括主控系统(3)，其特征在于：指令电流配置模块(2)和主控系统(3)双向连接，指令电流配置模块(2)输出含特定谐波分量的电流指令到主控系统(3)，主控系统(3)和驱动电路(7)的输入连接，主控系统(3)和检测电路(8)双向连接，驱动电路(7)的输出和3个单相H逆变桥(6)的控制端连接，三相电源通过整流桥(4)和储能滤波电容(5)与3个单相H逆变桥(6)的上下母线端连接，主控系统(3)通过驱动电路(7)和检测电路(8)，驱动3个单相H逆变桥(6)控制开关磁通永磁电机(1)的各相电流跟踪含特定谐波分量的电流指令，从而使开关磁通永磁电机(1)产生谐波转矩脉动，通过改变电流指令中谐波分量的幅值，控制开关磁通永磁电机(1)的输出谐波转矩的脉动幅值；

所述开关磁通永磁电机(1)由U型定子铁心模块(11)、矩形磁钢(12)、电枢线圈(13)和凸极转子铁心(14)组成，矩形磁钢(12)沿周向充磁，间隔放置在两个U形定子铁心模块(11)之间，且相邻两个矩形磁钢(12)充磁方向相反，电枢线圈(13)缠绕在两个U型定子铁心模块(11)和矩形磁钢(12)的“三文治”上，凸极转子铁心(14)的凸极沿周向均匀分布。

2.根据权利要求1所述的一种调节谐波转矩的开关磁通永磁电机激振源，其特征在于：所述的U型定子铁心模块(11)为单齿式、双齿式或多齿式结构。

3.根据权利要求1所述的一种调节谐波转矩的开关磁通永磁电机激振源，其特征在于：在设计开关磁通永磁电机(1)时，根据开关磁通永磁电机(1)运行的转速范围和要求的输出谐波转矩的脉动频率选择凸极转子铁心(14)，在电机运行时再通过调整电机转速来改变开关磁通永磁电机(1)的输出谐波转矩的脉动频率，具体为：开关磁通电机的基波角频率为

${\mathrm{\ω}}_r=2\mathrm{\πf}=\frac{\mathrm{\π}}{30}{P}_r{n}_r$

式中，f为输入电流的基波频率，P_r为凸极转子铁心的凸极数，n_r为电机转速，则输出谐波转矩的脉动频率为

$f_v=6f=\frac{P_r{n}_r}{10}$

因此，输出谐波转矩的脉动频率与凸极转子铁心的凸极数和电机转速相关，在设计电机时，根据电机运行的转速范围和要求的脉动频率选择P_r，在电机运行时再通过调整电机转速来改变谐波转矩的脉动频率。