CN104779760B - 一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机及其控制系统，电机为12N/10N极结构，包括同转轴的定子铁心和转子铁心；每个定子极上均绕制有一个励磁线圈和一个集中式绕组，集中式绕组和励磁线圈匝链且极性一致；相邻定子极上励磁线圈的绕制方向相反；同相位的2N个定子极上的集中式绕组串联或并联，构成相位角相差60°的第一至第六六相定子绕组；该六相定子绕组中相位角相差180°的绕组两两反向串联，构成U、V、W三相绕组。U、V、W三相绕组采用Y形连接的方式连接到三相全桥变换器构成控制系统；该控制系统采用传统三相六拍控制方式。本发明有效解决了电励磁双凸极电机转矩脉动大、振动噪声大的问题，具有较大的实用价值。

Description

一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机及其控制系统

技术领域

本发明涉及特种电机设计及控制技术领域，尤其涉及一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机及其控制系统。

背景技术

电磁励双凸极电机是一种由位置传感器、电力电子功率变换器、数字控制器以及凸极定转子结构的电机本体所组成的新型无刷直流电机。该电机既有开关磁阻电机结构简单的优点，又具有电励磁同步电机发电控制简单、控制电路可靠性高的优点，因此可以构成一种极有竞争力的起动发电机，在航空、舰船、电动汽车等领域具有良好的应用前景。

传统电励磁双凸极电机为三相电机，大多采用内转子的6N/4N极结构，定子极数为6N，转子极数为4N，N为自然数，表示单元电机数。该电机作电动机运行时存在转矩脉动和振动噪声较大的问题，一定程度上限制了其应用范围。

目前针对双凸极电机转矩脉动抑制的研究已经取得了一定的成果。例如已经授权的中国发明专利ZL 200510038148.5：低转矩脉动双凸极电机，公开了一种由两个结构完全相同（仅定子齿或转子齿错开180°/相数）共转轴的双凸极电机所组成的低转矩脉动双凸极电机，其实质是由两个M相电机组成的共转轴2M相双凸极电机。授权的中国发明专利ZL200410014568.5：8/6极双凸极电机的转矩脉动减小方法及其8/6极双凸极电机，公开了一种转子斜极结构的8/6极四相双凸极电机，并利用正弦波驱动等方法减小转矩脉动。授权的中国发明专利ZL201210395666.2：双凸极电机角度控制中的角度在线校正方法，公开了一种双凸极电机角度控制中的角度在线校正方法，使电机避免了由位置信号引起的三相电流不平衡，转矩脉动得到了有效地控制。授权的中国发明专利ZL201010118519.1：双凸极永磁电机控制装置及控制方法，公开了一种瞬时转矩控制方法，该方法将转矩闭环调节器加入到传统转速电流双闭环控制器，有效抑制了双凸极电机的转矩脉动。

以上技术主要涉及电机本体拓扑的设计和控制方法的优化两个方面。在电机本体设计方面，现有的技术多采用多相电机的设计方式来抑制转矩脉动，但是相对于传统三相电机，现有的多相电机设计的方式使得所需驱动电路成比例增加，系统的体积和成本也随之增加。在控制方法优化方面，角度优化控制的方法在转速变化的情况下很难精确计算优化控制角，因此对转矩性能的动态改善效果并不明显；转矩闭环调节的控制方法对转矩观测器的设计提出了很高的要求，使得系统的稳定性变差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及的问题，提供一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机及其控制系统，从根本上解决了电励磁双凸极电机转矩脉动较大，振动噪声较大的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:

一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机，包括同转轴的定子铁心和转子铁心；

所述定子铁心上设有12N个定子极，N为大于零的自然数；

所述定子极上均绕制有一个励磁线圈和一个集中式绕组，其中，集中式绕组和励磁线圈匝链，且集中式绕组与励磁线圈的极性一致；

所述相邻定子极上励磁线圈的绕制方向相反；

所述同相位的2N个定子极上的集中式绕组串联或并联，构成相位角相差60°的第一至第六六相定子绕组；

所述第一至第六六相定子绕组中相位角相差180°的绕组两两反向串联，构成U、V、W三相绕组。

作为本发明一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机进一步的优化方案，所述定子极弧系数为0.4。

作为本发明一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机进一步的优化方案，所述转子铁心上设有转子极，且转子极的数目为10N、转子极弧系数为0.5。

本发明还公开了一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机的控制系统，包含三相全桥变换器，所述U、V、W三相绕组采用Y形连接的方式连接到所述三相全桥变换器。

作为低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机的控制系统进一步优化方案，该控制系统采用传统的三相六拍控制方式进行控制。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1．多相电机的设计方式通常使得驱动电路的复杂程度成比例增加，本发明所采用的电机虽然采用六相设计方式，但是六相绕组两两反向串联后构成三相绕组并连接到三相全桥变换器，因此相对于已有研究成果中低转矩脉动的多相电励磁双凸极电机，所需驱动电路的体积和成本显著下降；

2．相位角相差180°的两相绕组的反电势和自感具有互补性，因此六相绕组两两反向串联后所构成的三相绕组的反电势最大程度上接近梯形波且绕组自感随转子位置角基本保持不变。该电机具有与永磁无刷直流电机相似的反电势和自感特性，类比采用三相六拍的控制方式可以获得与永磁无刷直流电机相似的转矩性能，从而有效抑制了电励磁双凸极电机的转矩脉动。

附图说明

图1是本发明采用的六相电励磁双凸极无刷直流电机12/10极结构示意图；

图2是所述六相电励磁双凸极无刷直流电机六相定子绕组反电势波形图；

图3是所述六相电励磁双凸极无刷直流电机六相定子绕组采用本发明提出的两两反向串联的连接方式所构成的三相绕组的反电势波形图；

图4是所述六相电励磁双凸极无刷直流电机六相定子绕组的自感曲线图；

图5是所述六相电励磁双凸极无刷直流电机六相定子绕组采用本发明提出的两两反向串联的连接方式所构成的三相绕组的自感曲线图；

图6是所述六相电励磁双凸极无刷直流电机六相定子绕组采用本发明提出的两两反向串联的连接方式后与三相全桥变换器的Y形连接图；

图7是本发明低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机采用三相六拍控制方式下的三相电流波形图；

图8是本发明低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机采用三相六拍控制方式下的输出转矩波形图。

图中，1、A相定子绕组；2、B相定子绕组；3、C相定子绕组；4、D相定子绕组；5、E相定子绕组；6、F相定子绕组；7、励磁绕组；8、定子铁心；9、转子铁心；10、转轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1是本发明采用的六相电励磁双凸极无刷直流电机12/10极结构示意图，包括同转轴设置的定子铁心和转子铁心，定子铁心上设有12N个定子极，N为大于零的自然数；所述定子极上均绕制有一个励磁线圈和一个集中式绕组，其中，集中式绕组和励磁线圈匝链，且集中式绕组与励磁线圈的极性一致；所述相邻定子极上励磁线圈的绕制方向相反；所述同相位的2N个定子极上的集中式绕组串联或并联，构成相位角相差60°的A、B、C、D、E、F六相定子绕组；所述A、B、C、D、E、F六相定子绕组中相位角相差180°的绕组两两反向串联，构成U、V、W三相绕组；定子极弧系数为0.4，转子铁心上设有转子极，且转子极的数目为10N、转子极弧系数为0.5。

励磁绕组和电枢绕组在空间对称分布的方式避免了各相磁路长短不一的问题。

A、B、C、D、E、F六相定子绕组中相位角相差180°的绕组采用两两反向串联的方式构成U、V、W三相绕组。其中A相绕组与D相绕组反向串联构成U相绕组，C相绕组与F相绕组反向串联构成V相绕组，E相绕组与B相绕组反向串联构成W相绕组。U、V、W三相定子绕组采用Y形连接的方式连接到三相全桥变换器并且采用传统永磁无刷直流电机中应用最为广泛的三相六拍控制方式。

图2是所述六相电励磁双凸极无刷直流电机六相定子绕组反电势波形。各相绕组反电势波形相位角依次相差60°，由于采用转子极宽为定子极宽1.5倍的设计方式，每一相绕组的反电势波形呈现为近似梯形波。

图3是所述六相电励磁双凸极无刷直流电机六相定子绕组采用本发明提出的两两反向串联的连接方式所构成的三相绕组的反电势波形图。由于相位差为180°的两相绕组的反电势波形存在互补性，两两反向串联消除了励磁绕组与电枢绕组互感饱和程度的变化所引起的反电势畸变，三相定子绕组的反电势波形对称性得到明显加强。与此同时由于采用转子极宽为定子极宽1.5倍的设计方式，该三相绕组的反电势波形近似梯形波。

图4是所述六相电励磁双凸极无刷直流电机六相定子绕组的自感曲线图。可以看出每一相绕组的自感随着转子位置角产生周期性的变化，由于采用转子极宽为定子极宽1.5倍的设计方式，每一个电角度周期内绕组自感存在120°电角度的上升区、120°下降区以及两段60°电角度的平台区。

图5是所述六相电励磁双凸极无刷直流电机六相定子绕组采用本发明提出的两两反向串联的连接方式所构成的三相绕组的自感曲线图。可以看出随着转子位置角发生变化，三相绕组的自感基本保持不变，这种绕组自感特性与永磁无刷直流较为相似。

图6是所述六相电励磁双凸极无刷直流电机六相定子绕组采用本发明提出的两两反向串联的连接方式后与三相全桥变换器的Y形连接图。其中A相绕组与D相绕组反向串联构成U相绕组并连接到第一桥臂的中点，C相绕组与F相绕组反向串联构成V相绕组并连接到第二桥臂的中点，E相绕组与B相绕组反向串联构成W相绕组并连接到第三桥臂的中点。

图7是本发明低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机采用三相六拍控制方式下的三相电流波形图。由于本发明电机具有与永磁无刷直流电机相似的反电势和自感特性，因此可以类比采用三相六拍控制方式来获得最佳的转矩电流比。与传统三相电励磁双凸极电机相比，由于消除了绕组自感的变化，稳态运行时绕组电流纹波显著减小。

图8是本发明低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机采用三相六拍控制方式下的输出转矩波形图。由于采用六相电机的设计方式，在一个电角度周期内，输出转矩存在六次脉动。与传统三相电励磁双凸极电机相比，本发明电机的稳态转矩脉动和换相转矩脉动明显减小，输出转矩的质量得到显著改善。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机，包括同转轴的定子铁心和转子铁心，其特征在于：

所述定子铁心上设有12N个定子极，N为大于零的自然数；

所述定子极上均绕制有一个励磁线圈和一个集中式绕组，其中，集中式绕组和励磁线圈匝链，且集中式绕组与励磁线圈的极性一致；

所述相邻定子极上励磁线圈的绕制方向相反；

所述同相位的2N个定子极上的集中式绕组串联或并联，构成相位角相差60°的第一至第六六相定子绕组；

所述第一至第六六相定子绕组中相位角相差180°的绕组两两反向串联，构成U、V、W三相绕组；

所述定子极弧系数为0.4；

所述转子铁心上设有转子极，且转子极的数目为10N、转子极弧系数为0.5。

2.基于权利要求1所述低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机的控制系统，其特征在于，包含三相全桥变换器，所述U、V、W三相绕组采用Y形连接的方式连接到所述三相全桥变换器。

3.根据权利要求2所述的低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机的控制系统，其特征在于，采用传统的三相六拍控制方式进行控制。