CN104242562A - 一种组合式开关磁阻电机动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式开关磁阻电机动力系统，它包括电机控制器单元、电源、一个或多个功率变换器、转子位置传感器和组合式电机本体，功率变换器、转子位置传感器和电源通讯线路分别与电机控制器单元连接，功率变换器还与电源连接，功率变换器与对应的电机本体绕组相连，组合式电机本体包括2个或以上的电机单元，每个电机单元都包括定子、转子以及定子的至少一相上缠绕的1个或多个独立绕组。本发明能保留开关磁阻电机结构简单、坚固、适合高速运转的优势，能降低系统复杂程度和成本，能够进行大规模生产、能够平衡开关磁阻电机工作时产生的转矩脉动，能够将电机的旋转角度和每个工作相位均匀分布在圆周上的组合式开关磁阻电机动力系统。

Description

一种组合式开关磁阻电机动力系统

技术领域

本发明涉及一种动力系统，特别是一种组合式开关磁阻电机动力系统。

背景技术

关磁阻电动机（Switched Reluctance Drive ：SRD）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。 英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数w直到数百kw，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。它的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，现如今，开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，功率范围从10W到5MW，最大速度高达100,000 r/min。

开关磁组电动机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突起，主要是因为它卓越的系统性能，主要表现在：电动机结构简单、成本低、可用于高速运转，功率电路简单可靠，系统可靠性高，起动转矩大，起动电流低，适用于频繁起停及正反向转换运行，可控参数多，调速性能好，效率高，损耗小。但其仍存在以下的缺点：1.有转矩脉动，从工作原理可知，开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由一系列脉冲转矩叠加而成的，由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影响，合成转矩不是一个恒定转矩，而有一定的谐波分量，这影响了SR电动机低速运行性能；2.SR电动机传动系统的噪声与震动比一般电动机大；3.一般需要位置传感器，控制器结构较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能保留开关磁阻电机结构简单、坚固、适合高速运转的优势，能降低系统复杂程度和成本，能够进行大规模生产、能够平衡开关磁阻电机工作时产生的转矩脉动，能够将电机的旋转角度和每个工作相位均匀分布在圆周上的组合式开关磁阻电机动力系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种组合式开关磁阻电机动力系统，它包括电机控制器单元、电源、一个或多个功率变换器、转子位置传感器和组合式电机本体，功率变换器、转子位置传感器和电源通讯线路分别与电机控制器单元连接，电源通讯线路会将电源的时实情况通过通讯线路告知电机控制单元。电机控制单元再依据此根据控制策略对功率变换器实施控制。功率变换器还与电源连接，功率变换器与对应的电机本体绕组相连，组合式电机本体包括2个或以上的电机单元，每个电机单元都包括定子、转子以及定子的至少一相上缠绕的1个或多个独立绕组。

所述的2个或以上的电机单元的转子之间错开一定角度安装在主轴上，定子采用相同方向安装，或2个或以上的电机单元的定子之间错开一定角度安装，转子采用相同方向安装。

所述的2个或以上的电机单元共用一个转子输出轴，共用一个转子位置传感器。

所述的2个或以上的电机单元的每一相上的1个或多个绕组共用一个功率变换器或分别采用独立的功率变换器。

所述的2个或以上的电机单元的每一相上的1个或多个绕组共用一个电源或分别采用独立的电源。

所述的组合电机本体使用一对端盖。

它包括一个总控制器，电机控制器单元接收和执行总控制器单元的控制信号，同时将电机控制单元采集的实时运行数据上传总控制器，并执行基本的控制策略。 

本发明的有益效果是：

1.本发明能保留开关磁阻电机结构简单、坚固、适合高速运转的优势，能降低系统复杂程度和成本，能够进行大规模生产、能够平衡开关磁阻电机工作时产生的转矩脉动，能够将电机的旋转角度和每个工作相位均匀分布在圆周上的组合式开关磁阻电机动力系统。      2.可以采用多个电源和功率变换器通过同一个电机本体输出。同时每个电源和功率变换器都具有独立工作能力，系统容错能力强。     3.由于采用机械并联的方法代替传统的电气并联。在较大的电机输出要求的时候可以避免大量功率器件因为并联产生的电流不均匀分布的问题。用小容量的功率器件驱动多个电机单元机械并联的可靠性要大大高于传统采用大量功率器件并联后驱动一个较大电机本体的可靠性，系统的成本也大大下降。     4.通过电机单元的并联设计可以运用一套完全相同的元件清单组装出不同功率的电机。 

附图说明

图1为每绕组使用独立电源和功率变换器的动力系统连接框图；

图2为同相各绕组公用电源和功率变换器的动力系统连接框图；

图3为同向转子组合式开关磁阻电机示意图；

图4为同向转子组合式开关磁阻电机俯视示意图；

图5为同向定子组合式开关磁阻电机示意图；

图6为同向定子组合式开关磁阻电机俯视示意图；

图中，1-主轴，2-定子A，3-转子B，4-定子B，5-转子A，6-十字转子的凸极1，7-转子位置传感器1，8-转子C，9-定子C，10-转子D，11-转子位置传感器，12-十字转子的凸极2，13-主轴，14-定子D。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

一种组合式开关磁阻电机动力系统，它包括电机控制器单元、电源、一个或多个功率变换器、转子位置传感器和组合式电机本体，功率变换器、转子位置传感器和电源通讯线路分别与电机控制器单元连接，电源通讯线路会将电源的时实情况通过通讯线路告知电机控制单元。电机控制单元再依据此根据控制策略对功率变换器实施控制。功率变换器还与电源连接，功率变换器与对应的电机本体绕组相连，组合式电机本体包括2个或以上的电机单元，每个电机单元都包括定子、转子以及定子的至少一相上缠绕的1个或多个独立绕组。

所述的2个或以上的电机单元的转子之间错开一定角度安装在主轴上，定子采用相同方向安装，或2个或以上的电机单元的定子之间错开一定角度安装，转子采用相同方向安装。

所述的2个或以上的电机单元共用一个转子输出轴，共用一个转子位置传感器。

所述的2个或以上的电机单元的每一相上的1个或多个绕组共用一个功率变换器或分别采用独立的功率变换器。

所述的2个或以上的电机单元的每一相上的1个或多个绕组共用一个电源或分别采用独立的电源。

所述的组合电机本体使用一对端盖。

它包括一个总控制器，电机控制器单元接收和执行总控制器单元的控制信号，同时将电机控制单元采集的实时运行数据上传总控制器，并执行基本的控制策略。

如图1所示，组合电机本体的同一相上缠绕了两组独立的绕组，每个绕组分别与功率变换器和电源连接，电机控制单元采集转子位置传感器采集的转子位置，并传送到总控制器。如图2所示，组合电机本体的同一相上缠绕了两组独立的绕组，两个独立的绕组连接同一个功率变换器和电源。本发明中电机本体的每个电机单元里面的每一相位都采用一个独立的电源。由于是由独立的电源供电，可以通过总控制器提供个性化的电源管理策略。在低转速区，所有的相都向电源吸收相同的能量，尽力保持电机转矩的均匀性。当电机达到一定转速，系统对转矩脉动不太敏感的时候吧，对供电能力强的电源多吸收能量，对供电能力弱的电源为保障电源的安全稳定运行，相比负载能力强的电源少吸收能量。从而达到个性化电源管理的目的。在保障转矩性能的基础上最大化程度的保障的系统的输出功率，同时还兼顾了电源的安全性，最大程度的利用了所有电源的容量。

如图3和图4所示的本发明的一个具体实施例中，组合式电机本体包括2个电机单元，其中转子A5和转子B3 相同方向安装在主轴1上，作为组合式电机本体的转子，定子A2和定子B4错开30°安装，作为组合式电机本体的定子，转子位置传感器7安装在电机的一侧，此时从图中剖面可见转子A5和转子B3的一个凸极6。

如图5和图6所示的本发明的另一个具体实施例中，组合式电机本体包括2个电机单元，其中定子C9和定子D14相同方向安装，作为组合式电机本体的定子，转子C8和转子D10错开45°安装在主轴13上，作为组合式电机本体的转子，转子位置传感器11安装在电机的一侧，此时从图中定子C9和定子D14剖面可见转子由两个部分构成 这两个部分的凸极相互错开45度，俯视成米字形。

本发明中多个电机单元共用一个输出轴，共用一个转子位置传感器。当采用图3所示的一种实施方式时，由于多个转子相位相同，转子传感器采集一个转子的位置即是电机转子的位置，当采用图5所示的一种实施方式时，由于多个转子错开角度安装，转子传感器也只采集一个转子的位置，组合电机中其余电机单元的转子位置通过计算得出，其余转子的位置由被测转子的位置加上该转子与被测转子间的相位差即可得到。得到了每个电机单元转子和定子的相对位置 就可以按照传统的控制策略对电机进行控制。

在本发明中，由多个电机单元组成的组合电机本体只需使用一对端盖，减少了电机端盖的使用，节约了成本。

在本发明中由于每个电机单元错开一定角度安装时，在工作时每个电机单元都存在一定的相位差，通过合理的设计能够平衡开关磁阻电机工作时产生的转矩脉动，克服了传统磁阻电机的一大缺点。当设计的组合电机的每个工作相均匀分布在圆周上时，因为相位多，电机的转速会比较平稳，转矩脉动小。

在本发明中由于每个电机单元的定子或转子错开一定角度安装时，在工作时每个电机单元都存在一定的相位差，通过合理的设计可以将电机的旋转角度和每个工作相位均匀的分布在圆周上。如将两个3相开关磁阻电机错开一定的角度组合成6相的电机组合体。可以将2个4相位的开关磁阻电机错开一定的角度组合成8相的电机组合体。例如采用常用的三相6-4结构的开关磁阻电机，将两个电机的定子错开30°安装，将得到6相的电机组合体，将常用的四相8-6结构的开关磁阻电机错开25.5°安装，将得到8相的电机组合体。因此采用此种组合方式可以很容易的生产出超过6相的电机。而电机的基本材料和结构还保持和传统的 3／4相电机高度近似性。生产多相电机的结构复杂性成本大大降低。

按照一般的情况超过4相的开关磁阻电机如5相的开关磁阻电机可以不需要位置传感器 按照相序依次通电即可。控制器的结构将会大大简化。但是5相以上的开关磁阻电机较一般开关磁阻电机结构复杂过多，限制了此类电机的运用。本案所提及开关磁阻电机可以做到远大于5相的相数。在某些工况下完全可以取消位置传感器。按照相序通电即可取得满意的运行效果。

本发明中的独立绕组可以缠绕在电机的每一相上，且每一相上能够缠绕2个或以上的独立绕组，图1和图2只例举了其中一相上缠绕两个独立绕组作为说明，本申请的电机上的独立绕组并不局限于此。

Claims (7)

1.一种组合式开关磁阻电机动力系统，其特征在于：它包括电机控制器单元、电源、一个或多个功率变换器、转子位置传感器和组合式电机本体，功率变换器、转子位置传感器和电源通讯线路分别与电机控制器单元连接，功率变换器还与电源连接，功率变换器与对应的电机本体绕组相连，组合式电机本体包括2个或以上的电机单元，每个电机单元都包括定子、转子以及定子的至少一相上缠绕的1个或多个独立绕组。

2.根据权利要求1所述的一种组合式开关磁阻电机动力系统，其特征在于：所述的2个或以上的电机单元的转子之间错开一定角度安装在主轴上，定子采用相同方向安装，或2个或以上的电机单元的定子之间错开一定角度安装，转子采用相同方向安装。

3.根据权利要求1所述的一种组合式开关磁阻电机动力系统，其特征在于：所述的2个或以上的电机单元共用一个转子输出轴，共用一个转子位置传感器。

4.根据权利要求1所述的一种组合式开关磁阻电机动力系统，其特征在于：所述的2个或以上的电机单元的每一相上的1个或多个绕组共用一个功率变换器或分别采用独立的功率变换器。

5.根据权利要求1所述的一种组合式开关磁阻电机动力系统，其特征在于：所述的2个或以上的电机单元的每一相上的1个或多个绕组共用一个电源或分别采用独立的电源。

6.根据权利要求1所述的一种组合式开关磁阻电机动力系统，其特征在于：所述的组合电机本体使用一对端盖。

7.根据权利要求1所述的一种组合式开关磁阻电机动力系统，其特征在于：它包括一个总控制器，电机控制器单元接收和执行总控制器单元的控制信号，同时将电机控制单元采集的实时运行数据上传总控制器，并执行基本的控制策略。