CN106849585A - 横向磁通开关磁阻电机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种横向磁通开关磁阻电机及其控制方法，其中电机部分包括定子铁心、转子铁心、定子绕组、非导磁转子套筒和轴承，定子包括Ns个定子铁心和Ns个嵌在定子铁心结构中的环形电枢绕组，Ns个定子绕组可以在圆周上对称分组，组成m相绕组，其中Ns＝2mk，其中k为任意大于1的整数；转子包括Nr个转子铁心，每个转子铁心都沿圆周方向均匀安置在非导磁转子套筒上，其中Nr＝Ns±2k；每相绕组根据计算出的导通和关断角按次序独立通入直流电，形成电机磁阻转矩，拖动电机转动。本发明的定子和转子排列方式及其主磁通路径构成横向磁通电机，使得电机不存在互感。此外，结合电机的每相绕组通电顺序和方式，实现电机磁阻的变化，拖动电机转动，提高了电机的功率密度。

Description

横向磁通开关磁阻电机及其控制方法
技术领域
本发明属于电机领域，具体涉及一种横向磁通开关磁阻电机及其控制方法。
背景技术
开关磁阻电机由于其结构简单、工作可靠、效率高、成本低等优点而成为国内外研究的主要热点。近年来，国内外众多学者在对开关磁阻电机结构和控制上取得了显著的成果，已成功地将开关磁阻电机应用于电动汽车、工矿机械、纺织机械等众多领域。由于该电机转子上没有永磁体或绕组，因此具有较高的可靠性，适合应用于恶劣的环境或场合。在性能方面，开关磁阻电机具有频繁正反转、调速性能好、过载能力强、在宽广的调速范围内效率高等优点。
开关磁阻电机各相轮流导通，定子磁动势以—个较大的角度沿定子圆周步进运行，换相时刻瞬时转矩波动很大，且电机受磁路饱和、相电流非线性、转矩非线性的影响，在相导通期间，转矩依然存在波动，产生噪音。由于传统结构的开关磁阻电机的电感包含自感和互感两部分，且都为非线性。因此准确计算自感和互感，有利于建立准确的电机控制模型，降低电机的噪音和振动。此外，传统的开关磁阻电机一般采用长磁路结构，电机的磁利用率较低，铁心损耗较大。为了减小铁心损耗提高电机效率，可采用短磁路结构，但一般需采用较多的相数或较多的定转子极数，导致电机和控制器的成本增加，且不适宜高速运行([1]Takiguchi M,Sugimoto H,Kurihara N等.Acoustic Noise and VibrationReduction of SRM by Elimination of Third Harmonic Component in Sum of RadialForces[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2015,30(3):883–891.)。
Lipo首次给出了包含相间互感的等效磁网络模型，指出互感耦合一方面对关断相绕组电压有较大影响，可能使关断相绕组导通，产生不希望的转矩分量；另一方面还使绕组电流的关断时间延长，从而使输出转矩有所减小，损耗有所增加。A.Deihimi等采用有限元法对开关磁阻电机长磁路和短磁路的性能进行了分析。郭伟等给出了互感随电机定子电流和转子位置变化的规律，推导了两相开关磁阻电机的矩角特性。辜成林等基于传统横向磁通电机提出了一种横向磁通开关磁阻电机，该电机三相结构分别为三个独立的单元模块沿轴向排列，模块之间分别差120度电角度，然而该电机存在端部过长、漏磁较大等缺点。
总之，现有的开关磁阻电机主要存在噪音振动或损耗较大等问题([2]宋受俊,葛乐飞,刘虎成等.开关磁阻电机设计的多目标优化方法[J].电工技术学报,2014,29(5):197–204.)，因此在电机结构和电机电感等参数的准确计算上还有提高的空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种横向磁通开关磁阻电机及其控制方法，能够缩短电机的磁路，降低电机的铁损，并且不存在互感，降低了电机电感计算的复杂度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种横向磁通开关磁阻电机，包括定子铁心、定子电枢绕组、转子铁心和非导磁转子套筒，其中定子铁心为U或C型结构，定子电枢绕组绕制在定子铁心的铁心柱上，定子铁心和定子电枢绕组构成电机定子单元，且电机定子单元沿圆周方向均匀设置，彼此不接触，构成定子机构，其中电机定子单元数量为Ns，且Ns＝2mk，m为电机相数、k为任意大于1的整数；转子铁心也为U或C型结构，并沿圆周方向均匀设置在非导磁转子套筒外侧，构成转子机构，转子铁心的数量为Nr，且Nr＝Ns±2k；
所述定子机构同轴设置在所述转子机构外，构成内转子、外定子的结构形式，或者所述定子机构同轴设置在所述转子机构内，构成外转子、内定子的结构形式，从而构成横向磁通开关磁阻电机。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)采用横向磁通电机原理，每相之间不存在互感，可以有效地减低电机的控制的复杂度和计算量。此外，其主磁路路径可以有效缩短电机的磁路长度，减小电机的损耗，从而提高了电机的效率，在一定程度上提高了电机的功率密度。通过三维有限元对本发明的电机结构进行建模，并进行仿真得出该电机的效率曲线，可以达到80％，如图8所示。(2)该电机的各定子铁心尺寸相同，各转子铁心尺寸也相同，且都可用硅钢片叠制而成。各定子铁心安装在非导磁材料机壳圆形套筒内，形成定子整体；各转子铁心安置在非导磁材料圆筒上，形成转子整体，并且与电机转轴相连。由于采用了硅钢片叠制，可以有效地减少电机的漏磁通，从而可以提高电机的功率因数。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是12/8横向磁通开关磁阻电机沿轴向爆炸结构示意图(定子12极、转子8极结构)。
图2是12/8横向磁通开关磁阻电机定子铁心、转子铁心和电枢绕组结构。
图3是12/8横向磁通开关磁阻电机A1相电枢绕组电感最小位置时的主磁通示意图。
图4是12/8横向磁通开关磁阻电机A1相电枢绕组电感最大位置时的主磁通示意图。
图5是12/8横向磁通开关磁阻电机主电路结构示意图。
图6的(a)、(b)是12/8横向磁通开关磁阻电机转子两个典型的位置。
图7是本发明的定子机构同轴设置在所述转子机构外的结构示意图。
图8是本发明横向磁通开关磁阻电机的效率结果图。
具体实施方式
结合图1、图2、图3和图4，本发明横向磁通开关磁阻电机，包括定子铁心1、定子电枢绕组2、转子铁心3和非导磁转子套筒4，其中定子铁心1为U或C型结构，定子电枢绕组2绕制在定子铁心1的铁心柱上，定子铁心1和定子电枢绕组2构成电机定子单元，且电机定子单元沿圆周方向均匀设置，彼此不接触，构成定子机构，其中电机定子单元数量为Ns，且Ns＝2mk，m为电机相数、k为任意大于1的整数；转子铁心3也为U或C型结构，并沿圆周方向均匀设置在非导磁转子套筒4外侧，构成转子机构，转子铁心3的数量为Nr，且Nr＝Ns±2k，非导磁材料定子套筒4通过轴承与电机转轴相连，定子铁心1通过轴承与机壳相连；
所述定子机构同轴设置在所述转子机构外，构成内转子、外定子的结构形式，如图7所示。或者所述定子机构同轴设置在所述转子机构内，构成外转子、内定子的结构形式，从而构成横向磁通开关磁阻电机。
所述电机定子单元为Ns个，构成m相电机，其同一相电机电枢绕组沿圆周方向间隔为m，且同一相电机电枢绕组首尾相连。
所述定子铁心1的圆周方向长度小于转子铁心3的圆周方向长度。
本发明采用电力电子器件对m相电机电枢绕组通电，当按定子电枢绕组2顺时针方向通电，则电机顺时针转动；当按定子电枢绕组2逆时针方向通电，则电机逆时针转动，通电的时间由电机的电感决定。对m相电机电枢绕组通电的顺序是这样的，先对其中任意一相通电，然后依次对他相通电，循环往复。电力电子器件采用全控型MOSFET或IGBT。
所述述转子铁心3采用硅钢片叠制，且尺寸相同。定子铁心1采用硅钢片叠制，且尺寸相同。
结合图5，本发明利用上述横向磁通开关磁阻电机进行控制方法，实现电动运行或实现发电运行，其中实现电动运行的方法如下。Ns个定子电枢绕组构成Ns/m组定子组，以三相12个定子电枢绕组构成4组定子组为例进行说明，每一组的三个定子电枢绕组表示为第一定子电枢绕组A1、第二定子电枢绕组A2、第三定子电枢绕组A3；
当转子机构的第一转子铁心R1转到两个相邻电机定子单元之间(图6(a)位置所示)，第一转子铁心R1位于第二定子电枢绕组A2和第三定子电枢绕组A3之间，此时，将电机主电路中第二定子电枢绕组A2的全控型电力电子器件导通，电流流过第二定子电枢绕组A2产生磁势，使得转子铁心顺时针转动；当转子机构的第一转子铁心R1转到第二定子电枢绕组A2正对位置时(图6(b)位置所示)，此时第二定子电枢绕组A2的电感最大，将电机主电路中第二定子电枢绕组A2的全控型电力电子器件断开，第二定子电枢绕组A2中电流逐渐将为0；与此同时，与第一转子铁心R1相邻的第二转子铁心R2位于本组的第一定子电枢绕组A1和另一组的定子电枢绕组A3之间，此时，将电机主电路中另一组的定子电枢绕组A3的全控型电力电子器件导通，电流流过另一组的定子电枢绕组A3绕组产生磁势，使得转子继续铁心顺时针转动；依次重复上述过程，形成电机连续转动，因此当根据转子不同位置时，依次将定子电枢绕组A2→A3→A1通电，实现顺时针转动，反之实现逆时针转动。
实现电磁制动(即发电运行)过程如下。Ns个定子电枢绕组构成Ns/m组定子组，以三相12个定子电枢绕组构成4组定子组为例，每一组的三个定子电枢绕组表示为第一定子电枢绕组A1、第二定子电枢绕组A2、第三定子电枢绕组A3；
当转子机构的第一转子铁心R1转到第二定子电枢绕组A2正对位置时(图6(b)位置所示)，此时第二定子电枢绕组A2的电感最大，此时，将电机主电路中第二定子电枢绕组A2的全控型电力电子器件打开，由于电机存在惯性，转子依然逆时针转动，当转子机构的第一转子铁心R1转到两个相邻电机定子单元之间(图6(a)位置所示)，将电机主电路中第二定子电枢绕组A2的全控型电力电子器件断开；在这个过程中，第二定子电枢绕组A2对转子产生负的磁阻转矩，使得转子作用在电磁制动的工况下，根据旋转方向和转子铁心位置，依次对定子电枢绕组A1、A2和A3绕组进行通、断电实现电机连续的电磁制动。
当作为发电机时，由于转子由原动机拖动旋转，此时将电机工作在上述电磁制动的工况下，可以电机的连续发电，使得原动机的机械能可以转化为横向磁通开关磁阻电机的电能输出，从而实现发电运行。该电机结构简单，且不存在互感，可以有效地降低电机控制的难度，提高电机的运行性能，如图8所示。
下面结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
结合图1-图4，对于12/8内转子三相横向磁通开关磁阻电机来说，该电机的实体模型主要由以下几个部分组成：定子铁心1、定子电枢绕组2、转子铁心3和导磁材料转子套筒4组成。各定子由定子铁芯1和定子电枢绕组2构成，并沿圆周方向均匀排列，各定子铁心1尺寸一致，且采用硅钢片叠制，并用胶水粘贴安装在非导磁材料套筒内形成一个定子整体；定子电枢绕组2采用集中式环形电枢绕组，并绕在定子铁心1的U型槽中，且相隔3个电枢绕组构成一相；转子部分包括沿圆周方向均匀排列的转子铁心3构成和非导磁转子圆筒4构成，各转子铁心4尺寸一致，且采用硅钢片叠制，并用胶水粘贴安装在非导磁转子圆筒4上形成一个转子整体。结合图5的控制电路对电机进行控制，以实现电机的正常运行。
实施例2
结合图1-图4，对于12/8内转子六相横向磁通开关磁阻电机来说，该电机的实体模型主要由以下几个部分组成：定子铁心1、定子电枢绕组2、转子铁心3和导磁材料转子套筒4组成。各定子由定子铁芯1和定子电枢绕组2构成，并沿圆周方向均匀排列，各定子铁心1尺寸一致，且采用硅钢片叠制，并用胶水粘贴安装在非导磁材料套筒内形成一个定子整体；定子电枢绕组2采用集中式环形电枢绕组，并绕在定子铁心1的U型槽中，且相隔6个电枢绕组构成一相；转子部分包括沿圆周方向均匀排列的转子铁心3构成和非导磁转子圆筒4构成，各转子铁心4尺寸一致，且采用硅钢片叠制，并用胶水粘贴安装在非导磁转子圆筒4上形成一个转子整体。结合图5的控制电路对电机进行控制，以实现电机的正常运行。

Claims (9)

1.一种横向磁通开关磁阻电机，其特征在于包括定子铁心(1)、定子电枢绕组(2)、转子铁心(3)和非导磁转子套筒(4)，其中定子铁心(1)为U或C型结构，定子电枢绕组(2)绕制在定子铁心(1)的铁心柱上，定子铁心(1)和定子电枢绕组(2)构成电机定子单元，且电机定子单元沿圆周方向均匀设置，彼此不接触，构成定子机构，其中电机定子单元数量为Ns，且Ns＝2mk，m为电机相数、k为任意大于1的整数；转子铁心(3)也为U或C型结构，并沿圆周方向均匀设置在非导磁转子套筒(4)外侧，构成转子机构，转子铁心(3)的数量为Nr，且Nr＝Ns±2k；
所述定子机构同轴设置在所述转子机构外，构成内转子、外定子的结构形式，或者所述定子机构同轴设置在所述转子机构内，构成外转子、内定子的结构形式，从而构成横向磁通开关磁阻电机。
2.根据权利要求1所述的横向磁通开关磁阻电机，其特征在于：所述电机定子单元为Ns个，构成m相电机，其同一相电机电枢绕组沿圆周方向间隔为m，且同一相电机电枢绕组首尾相连。
3.根据权利要求1所述的横向磁通开关磁阻电机，其特征在于：所述定子铁心(1)的圆周方向长度小于转子铁心(3)的圆周方向长度。
4.根据权利要求1、2或3所述的横向磁通开关磁阻电机，其特征在于：采用电力电子器件对m相电机电枢绕组通电，当按定子电枢绕组(2)顺时针方向通电，则电机顺时针转动；当按定子电枢绕组(2)逆时针方向通电，则电机逆时针转动，通电的时间由电机的电感决定。
5.根据权利要求1、2或3所述的横向磁通开关磁阻电机，其特征在于：所述转子铁心(3)采用硅钢片叠制，且尺寸相同。
6.根据权利要求1、2或3所述的横向磁通开关磁阻电机，其特征在于：所述定子铁心(1)采用硅钢片叠制，且尺寸相同。
7.根据权利要求4所述的横向磁通开关磁阻电机，其特征在于：电力电子器件采用全控型MOSFET或IGBT。
8.一种利用权利要求1、2或3所述的横向磁通开关磁阻电机的控制方法，其特征在于能够实现电动运行，即Ns个定子电枢绕组构成Ns/m组定子组，以三相12个定子电枢绕组构成4组定子组为例，每一组的三个定子电枢绕组表示为第一定子电枢绕组A1、第二定子电枢绕组A2、第三定子电枢绕组A3；
当转子机构的第一转子铁心R1转到两个相邻电机定子单元之间，第一转子铁心R1位于第二定子电枢绕组A2和第三定子电枢绕组A3之间，此时，将电机主电路中第二定子电枢绕组A2的全控型电力电子器件导通，电流流过第二定子电枢绕组A2产生磁势，使得转子铁心顺时针转动；当转子机构的第一转子铁心R1转到第二定子电枢绕组A2正对位置时，此时第二定子电枢绕组A2的电感最大，将电机主电路中第二定子电枢绕组A2的全控型电力电子器件断开，第二定子电枢绕组A2中电流逐渐将为0；与此同时，与第一转子铁心R1相邻的第二转子铁心R2位于本组的第一定子电枢绕组A1和另一组的定子电枢绕组A3之间，此时，将电机主电路中另一组的定子电枢绕组A3的全控型电力电子器件导通，电流流过另一组的定子电枢绕组A3绕组产生磁势，使得转子继续铁心顺时针转动；依次重复上述过程，形成电机连续转动，因此当根据转子不同位置时，依次将定子电枢绕组A2→A3→A1通电，实现顺时针转动，反之实现逆时针转动。
9.一种利用权利要求1、2或3所述的横向磁通开关磁阻电机的控制方法，其特征在于：能够实现电磁制动，即Ns个定子电枢绕组构成Ns/m组定子组，以三相12个定子电枢绕组构成4组定子组为例，每一组的三个定子电枢绕组表示为第一定子电枢绕组A1、第二定子电枢绕组A2、第三定子电枢绕组A3；
当转子机构的第一转子铁心R1转到第二定子电枢绕组A2正对位置时，此时第二定子电枢绕组A2的电感最大，此时，将电机主电路中第二定子电枢绕组A2的全控型电力电子器件打开，由于电机存在惯性，转子依然逆时针转动，当转子机构的第一转子铁心R1转到两个相邻电机定子单元之间，将电机主电路中第二定子电枢绕组A2的全控型电力电子器件断开；在这个过程中，第二定子电枢绕组A2对转子产生负的磁阻转矩，使得转子作用在电磁制动的工况下，根据旋转方向和转子铁心位置，依次对定子电枢绕组A1、A2和A3绕组进行通、断电实现电机连续的电磁制动。
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