CN105356629A - 一种高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统，属于电机技术领域。该电机的定子铁心由若干个独立的定子分块组成，其纵截面呈E形；定子绕组放置在E形定子分块的轭部，每相包含4个线圈，2个通道，径向相对的两个线圈连接为一个通道；转子铁心沿轴向分为三段。该电机可以是三相6/4极、四相8/6极。驱动控制系统主要包括模块化开关磁阻电机、电源、控制器和两套相同的功率变换器；每套功率变换器分别控制各相的一个通道。本发明的模块化开关磁阻电机重量轻，功率密度高，各相电路、磁路和热路相互隔离，容错性能好，便于生产和运输；驱动系统具有控制灵活、可靠性高等优点。

Description

一种高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体为一种高容错性E形分块定子分段转子开关磁阻电机及其模块化驱动控制系统。
背景技术
开关磁阻电机驱动控制系统主要由电源、功率变换器、开关磁阻电机、控制器和检测装置等部分构成，是集开关磁阻电机(SRM)、现代电力电子技术和控制技术为一体的新一代无级调速系统。其中，作为被控对象的开关磁阻电机由于其双凸极结构和基于磁阻性质的运行原理，使得它较传统电机具有更好的容错能力，也易于实现模块化的结构设计和控制，从而通过提高各相之间电磁隔离和热隔离的能力进一步提高系统的可靠性和容错性。
目前，国内外对于分块开关磁阻电机的研究主要集中在电机的结构及其电磁特性等方面。根据电机结构的不同，分块开关磁阻电机包括分块定子SRM和分块转子SRM两大类。分块定子SRM通过将定子各相分块，进一步增强了电机的磁路隔离和热隔离；分块转子SRM通过将转子极分块，以达到减小磁通路径、降低铁心损耗的目的。其中，分块定子SRM由于结构形式多样，绕组放置方式灵活，有利于提高容错性能等优点而引起了更多的关注。
公开号为CN101546927A和CN101557153A的两份申请文件分别提出了C形和E形的两种模块化定子分块转子开关磁阻电机。定转子均采用了模块化结构，并将分块的转子铁心嵌入不导磁的转子套，以减小高速运行时的风(油)阻摩擦。但是，由于其定子铁心叠片是沿着圆周切向叠压，而转子铁心叠片则是沿转轴方向叠压，且其转子是分块设置的，因此，当磁通由定子铁心经气隙进入转子铁心时，磁力线将垂直于转子铁心叠片而造成漏磁增加，铁心磁路磁阻增大，电机性能下降；其次，分块的转子铁心不适于高速运行，且转子套的加工过程复杂，材料的电气性能和机械性能会对电机及其系统的运行性能有影响。
现有的双通道或多通道冗余控制技术主要针对n重m相多极电机，对于定子极数较少的电机，例如传统三相6/4极结构的开关磁阻电机则不宜采用双通道控制方式，以免缺相运行时各相之间较大的互感影响电机性能。而纵截面为E形的分块定子开关磁阻电机由于其结构独特，使得应用双通道控制技术来提高少极电机及系统可靠性的方案成为可能。
发明内容
本发明的目的在于通过将定子分块、转子分段并采用模块化控制方式，提供一种具有较高可靠性和容错性的开关磁阻电机结构及其驱动控制系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
根据本发明实施例提供的一种高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统，包括模块化的开关磁阻电机和驱动电路；
所述模块化的开关磁阻电机包括若干个分块的定子铁心，以及分布在所述定子铁心中心的分段的转子铁心，所述分块的定子铁心上设有定子绕组；
所述驱动电路包括与定子绕组连接的两套功率变换器，两套功率变换器分别通过控制器控制，所述两套功率变换器连接有电源。
进一步，所述分块的定子铁心包括若干个沿分段的转子铁心圆周均匀分布的独立的定子铁心分块，每个分块的定子铁心包含3个齿部和2个连接相邻两齿的轭部，各定子铁心分块纵截面呈E形；E形定子铁心分块包括上齿、中齿和下齿，上齿、中齿和下齿的高度比为1:2:1。
进一步，定子绕组缠绕在所述定子铁心分块的轭部；每相包含4个线圈，径向相对的两个线圈串联或并联构成一条通道。
进一步，所述分段的转子铁心由3个分段组成；3个分段横截面积相同但轴向长度不同，共同固定在不导磁的转轴上，横截面由均匀分布的若干个转子齿及其连接各齿的轭部构成，各分段采用硅钢片沿轴向叠压。
进一步，所述各转子分段分别与定子铁心分块的上齿、中齿和下齿相对应，分段的转子铁心的各分段分别与定子铁心分块的上齿、中齿和下齿的齿平齐；各分段的轴向长度与对应的定子齿高度相同。
进一步，所述各分段转子铁心截面的轴向投影重合。
进一步，所述各分段的转子铁心保留转子铁心的轭部，分段不分块，且既无永磁体也无绕组。
进一步，所述驱动电路采用两套相同的功率变换器分别控制各相定子绕组的一条通道；正常情况下，两套功率变换器同时工作，各自提供50％的输出功率；一条通道故障时，切除与之相连的功率变换器，由另一条通道提供全部的输出功率。
进一步，所述模块化的开关磁阻电机采用三相6/4极结构的开关磁阻电机或四相8/6极结构的开关磁阻电机。
本发明较现有分块电机技术的改进之处主要在于，对E形定子分块三个齿的轴向高度进行了约束，以保证各齿磁密相等；转子铁心采用了分段但不分块的方式，从而改变了现有E形定子分块开关磁阻电机的磁通路径，降低了铁心磁阻。所提电机结构不仅具备现有技术的优点，而且进一步提高了电机性能。
本发明较现有双通道控制技术的改进之处主要在于，使得双通道控制结构能够应用于6/4极或8/6极等少极电机，扩展了现有技术的应用范围。
附图说明
图1所示为本发明的分块定子分段转子开关磁阻电机的模块化控制系统的原理示意图(仅示出一相绕组接线)。
图2所示为本发明的三相6/4极分块定子分段转子开关磁阻电机的俯视图。
图3所示为本发明的三相6/4极分块定子分段转子开关磁阻电机一相定转子结构的正视图。
图4所示为本发明的三相6/4极分块定子分段转子开关磁阻电机一相绕组的两条通道同时工作时的磁通路径图。
图5所示为本发明的三相6/4极分块定子分段转子开关磁阻电机一相绕组的其中一条通道工作时的磁通路径图。
图6所示为本发明的四相8/6极分块定子分段转子开关磁阻电机的俯视图。
图7所示为本发明的四相8/6极分块定子分段转子开关磁阻电机一相定转子结构的正视图。
图中：1、模块化的开关磁阻电机；1-1、定子铁心分块；1-11、上齿；1-12、中齿；1-13、下齿；1-2、定子绕组；1-3、分段的转子铁心；1-31、上段转子铁心；1-32、中段转子铁心；1-33、下段转子铁心；1-4、转轴；1-5、空气隙；2、电源；3、控制器；4-1、第一功率变换器；4-2、第二功率变换器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1所示，本发明高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统，包括模块化的开关磁阻电机1和驱动电路；模块化的开关磁阻电机1包括若干个分块的定子铁心，以及分布在定子铁心中心的分段的转子铁心1-3，若干个独立的分块的定子铁心沿圆周均匀分布；各分块的定子铁心由硅钢片叠压而成，叠压方向沿圆周切向；分块的定子铁心上设有定子绕组1-2，参见图2所示；驱动电路包括与定子绕组1-2连接的两套功率变换器，即第一功率变换器4-1、第二功率变换器4-2，两套功率变换器分别通过控制器3控制，第一功率变换器4-1、第二功率变换器4-2分别连接有电源2。
如图2、图3所示，为本发明的第一种实施方式，模块化的开关磁阻电机1采用三相6/4极结构的开关磁阻电机，本实施例的三相6/4极电机的定子铁心由6个沿圆周相间60°机械角的定子铁心分块1-1共同构成。每个定子铁心分块包含3个齿部和2个连接相邻两齿的轭部，各定子铁心分块1-1纵截面呈E形；E形定子铁心分块1-1包括上齿1-11、中齿1-12和下齿1-13，上齿1-11、中齿1-12和下齿1-13的高度比为1:2:1，即定子分块的两端齿部的轴向高度相等，中间齿的高度为两端两个齿高之和，以保证E形定子分块三个齿的磁密相等。定子绕组1-2缠绕在定子铁心分块1-1的轭部；每相包含4个线圈，其中，径向相对的两个线圈串联或并联构成一条通道，参见图4、图1所示。
参见图3所示，分段的转子铁心1-3由3个分段组成，3个分段即上段转子铁心1-31、中段转子铁心1-32和下段转子铁心1-33，3个分段横截面积相同但轴向长度不同；共同固定在不导磁的转轴1-4上，横截面由均匀分布的4个转子齿及其连接各齿的轭部构成，其中，在4个转子齿中，其结构还可以是径向相对的转子齿结构相同，相邻转子齿结构不同。各分段采用硅钢片沿轴向叠压；各转子分段分别与定子铁心分块1-1的上齿1-11、中齿1-12和下齿1-13相对应。分段的转子铁心1-3的各分段分别与定子铁心分块1-1的上齿1-11、中齿1-12和下齿1-13的齿平齐。
其中，参见图2结合图1所示，各分段转子铁心截面的轴向投影重合，即，各分段转子铁心的各齿上下相互对应，不能交错分布，3段分段转子铁心的上段转子铁心1-31、中段转子铁心1-32、下段转子铁心1-33横截面的法向矢量重合或相差180°；上段转子铁心1-31、中段转子铁心1-32、下段转子铁心1-33的轴向长度与E形定子块的各段齿高对应相等，比例亦为1:2:1。且相邻两段转子铁心(1-31与1-32或1-32与1-33)之间的间隔长度等于E形定子分块的上齿1-11与中齿1-12(或中齿1-12与下齿1-13)之间的间隔长度。分段的转子铁心的外圆周和定子铁心的内圆周之间的部分为空气隙1-5。且各段转子铁心上既无永磁体也无绕组，且保留转子铁心轭部，分段不分块。
结合图4和图5说明本实施例系统的工作方式。当每相定子绕组的4个线圈同时流过相同的电流，图4即两个通道同时工作时，忽略漏磁，电机中存在两条并联的混合磁路，磁通依次沿定子中齿、定子轭部、定子上(下)齿、空气隙、上(下)段转子铁心、空气隙、定子上(下)齿、定子轭部、定子中齿、空气隙、中段转子铁心、空气隙和定子中齿构成闭合回路，且磁通在两条路径中的分布是对称的，共同作用于三段转子，驱动负载；当每相只有一个通道工作时，参见图5所示，电机中只有一条主磁路，仅作用于两段转子，驱动负载。
本发明的第二种实施方式见图6、7所示，模块化的开关磁阻电机采用四相8/6极结构的开关磁阻电机，其四相8/6极电机的定子铁心由8个沿圆周相间45°机械角的定子铁心分块1-1共同构成；分段的转子铁心1-3横截面由均匀分布的6个转子齿及其连接各齿的轭部构成。其他组成和连接方式同具体实施方式1。
实施例2的工作方式同三相6/4极结构的的开关磁阻电机。
本发明的驱动控制系统主要由模块化的开关磁阻电机1，电源2，控制器3，第一功率变换器4-1、第二功率变换器4-2组成。各功率变换器4-1和4-2分别控制每相绕组的一个通道。正常情况下，两个功率变换器同时工作，各承担50％的输出功率；当一个通道发生故障时，切除与之相连的功率变换器，由另一通道承担全部的输出功率，保障系统可靠运行。
本发明所述的模块化控制系统主要是针对所提E形分块定子开关磁阻电机的两条通道采用两套相同的功率变换电路分别实施控制。每套功率变换器分别与一条通道相连接，控制信号可以同步，也可以根据需要有适当移相。所提模块化控制方式不限于模块化结构的双通道电机，可推广至任意具有类似结构和磁路的多通道电机。
本发明分别从开关磁阻电机和控制方式两个方面对传统开关磁阻电机及其驱动系统进行了改进，模块化的结构和控制方式一方面简化了电机结构、减轻了电机重量、便于生产和运输；另一方面提高了电机的功率密度、增强了电机各相之间的电磁隔离和热隔离、提高了控制的灵活性、进一步增强了开关磁阻电机及其系统的可靠性。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统，其特征在于，系统包括模块化的开关磁阻电机和驱动电路；
所述模块化的开关磁阻电机(1)包括若干个分块的定子铁心，以及分布在所述定子铁心中心的分段的转子铁心(1-3)，所述分块的定子铁心上设有定子绕组(1-2)；
所述驱动电路包括与定子绕组(1-2)连接的两套功率变换器，两套功率变换器分别通过控制器(3)控制，所述两套功率变换器连接有电源(2)。
2.根据权利要求1所述的高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统，其特征在于，所述分块的定子铁心包括若干个沿分段的转子铁心(1-3)圆周均匀分布的独立的定子铁心分块(1-1)，每个分块的定子铁心包含3个齿部和2个连接相邻两齿的轭部，各定子铁心分块(1-1)纵截面呈E形；E形定子铁心分块(1-1)包括上齿(1-11)、中齿(1-12)和下齿(1-13)，上齿(1-11)、中齿(1-12)和下齿(1-13)的高度比为1:2:1。
3.根据权利要求1所述的高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统，其特征在于，定子绕组(1-2)缠绕在所述定子铁心分块(1-1)的轭部；每相包含4个线圈，径向相对的两个线圈串联或并联构成一条通道。
4.根据权利要求1所述的高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统，其特征在于，所述分段的转子铁心(1-3)由3个分段组成；3个分段横截面积相同但轴向长度不同，共同固定在不导磁的转轴(1-4)上，横截面由均匀分布的若干个转子齿及其连接各齿的轭部构成，各分段采用硅钢片沿轴向叠压。
5.根据权利要求4所述的高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统，其特征在于，所述各转子分段分别与定子铁心分块(1-1)的上齿(1-11)、中齿(1-12)和下齿(1-13)相对应，分段的转子铁心(1-3)的各分段分别与定子铁心分块(1-1)的上齿(1-11)、中齿(1-12)和下齿(1-13)的齿平齐；各分段的轴向长度与对应的定子齿高度相同。
6.根据权利要求4所述的高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统，其特征在于，所述各分段的转子铁心(1-3)截面的轴向投影重合。
7.根据权利要求4所述的高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统，其特征在于，所述各分段转子铁心保留转子铁心的轭部，分段不分块，且既无永磁体也无绕组。
8.根据权利要求1所述的高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统，其特征在于，所述驱动电路采用两套相同的功率变换器分别控制各相定子绕组(1-2)的一条通道；正常情况下，两套功率变换器同时工作，各自提供50％的输出功率；一条通道故障时，切除与之相连的功率变换器，由另一条通道提供全部的输出功率。
9.根据权利要求1所述的高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统，其特征在于，所述模块化的开关磁阻电机采用三相6/4极结构的开关磁阻电机或四相8/6极结构的开关磁阻电机。
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