CN107240998A

CN107240998A - 四相32/24极结构开关磁阻电机极性分布方法及其应用

Info

Publication number: CN107240998A
Application number: CN201710346754.6A
Authority: CN
Inventors: 陈昊; 侯书东
Original assignee: Anhui Honghao Energy Saving Technology Co Ltd
Current assignee: Anhui Honghao Energy Saving Technology Co Ltd
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2017-10-10
Anticipated expiration: 2037-05-17
Also published as: CN107240998B

Abstract

本发明公开了四相32/24极结构开关磁阻电机极性分布方法及其应用，包括A、B、C和D四相，A相包含A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7和A8，采用NSNSNSNS极性分布，B相包含B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7和B8，采用SNSNSNSN极性分布，C相包含C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8，采用SNSNSNSN极性分布，D相包含D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8，采用NSNSNSNS极性分布。本发明能够满足节能调速风机和水泵不同运行工况，实现电机动态转矩闭环控制，减小转矩脉动，提高转矩精度，使得电机在不同运行工况能够平滑切换，提高电机运行效率。

Description

四相32/24极结构开关磁阻电机极性分布方法及其应用

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机，尤其涉及四相32/24极结构开关磁阻电机极性分布方法及其在开关磁阻电机调速系统和节能调速风机和水泵的应用。

背景技术

当前，传动电动机系统正逐渐趋向于无级变速、高可靠性、数字化的方向发展。研究并开发可实现无级变速运行、高可靠性、数字化调速来直接驱动电气设备的新型电动机系统，已成为电气传动领域前沿性创新研究工作的新发展趋势和重要方向。

开关磁阻电机因其结构简单坚固耐用适用于恶劣条件下工作、可靠性高、调速性能优越、控制灵活、具备再生发电能力等特点，适用于节能调速风机和水泵驱动系统。开关磁阻电机，其电机结构简单紧凑、转动惯量小，适用于在高温、高速的环境下工作；电机各绕组相互独立，容错性能好，功率变换器的结构简单；电机可控参数较多，调速性能很好，调速范围宽，启动转矩大，传动效率高，功耗小。

目前国内外广泛应用的电动机传动系统为感应电动机，不能无级变速。若由直流调速电动机实现无级变速传动，其直流电动机的结构复杂、造价偏高、维护困难且寿命较短。若由感应电动机变频调速系统实现无级变速传动，其系统控制方案采用矢量变换控制或直接转矩控制，但实现矢量变换或直接转矩控制计算复杂，且其低速力矩小、低速性能不佳。开关磁阻电机结构简单坚固耐用，转子上没有任何形式的绕组，而定子上只有简单的集中绕组，绝缘结构简单，制造简便，成本低，且发热大部分在定子，易于冷却，恶劣条件下具有调速性能良好、控制灵活、工作可靠性高、容错性好、使用寿命长的特点，具有很好的市场应用前景。

如中国发明专利申请号CN201610189821.3公开了一种永磁型单相开关磁阻电机，包括电机输出轴、控制系统以及至少一组电枢装置，所述电枢装置包括定子和转子，所述定子和转子的凸极之间为气隙，所述转子固定套接在电机输出轴外周，所述定子上的凸极数量与转子上的凸极数量一致，在所述定子的凸极部位安装有定子电磁绕组，相邻的定子电磁绕组的绕制方向相异，在所述转子的凸极部位嵌装有永磁体，所述永磁体的充磁方向为径向，所述转子中相邻的各凸极所嵌装的永磁体的极性相异。由于两组定子的凹凸极相互交错，而其转子的凸极则在同一中心线上，故在电机的磁场回路中，其每运动一步时在两组电枢装置中分别由拉力与推力在共同作用，因而具有良好的运动均衡性和平滑性，电机运转不会产生任何的转矩脉动且运转噪声非常小。又如中国实用新型专利申请号CN201320566227.3公开了一种互感耦合型开关磁阻电机，电机每相绕组的自感和互感都会随转子位置改变而发生周期性变化，可以依靠互感工作，每个时刻至少有两相绕组同时通电，转矩脉动可以得到明显抑制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的抑制开关磁阻电机的转矩脉动的方式要么改变转子结构要么改变绕组结构，改装难度大、成本高，为此提供一种不改变转子结构和绕组结构的四相32/24极结构开关磁阻电机极性分布方法及其应用。

本发明的技术方案是：四相32/24极结构开关磁阻电机极性分布方法，它包括A、B、C和D四相，A相包含A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7和A8，采用NSNSNSNS极性分布，B相包含B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7和B8，采用SNSNSNSN极性分布，C相包含C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8，采用SNSNSNSN极性分布，D相包含D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8，采用NSNSNSNS极性分布，每相八个凸极上的集中绕组串联构成一相绕组，A、B、C、D四相之间采用NSSN或SNNS的极性分布。

上述方案中所述A、B、C、D四相之间的极性分布如下：A1、B1、C1、D1为NSSN，A2、B2、C2、D2为SNNS，A3、B3、C3、D3为NSSN，A4、B4、C4、D4为SNNS，A5、B5、C5、D5为NSSN，A6、B6、C6、D6为SNNS，A7、B7、C7、D7为NSSN，A8、B8、C8、D8为SNNS。

上述方案中所述定子极的绕组电流极性分布为

A1+A1-B1-B1+C1-C1+D1+D1-A2-A2+B2+B2-C2+C2-D2-D2+A3+A3-B3-B3+C3-C3+D3+D3-A4-A4+B4+B4-C4+C4-D4-D4+A5+A5-B5-B5+C5-C5+D5+D5-A6-A6+B6+B6-C6+C6-D6-D6+A7+A7-B7-B7+C7-C7+D7+D7-A8-A8+B8+B8-C8+C8-D8-D8+。

开关磁阻电机调速系统，它包括功率变换器、控制器、转子位置检测器和上述的四相32/24极结构开关磁阻电机。

节能调速风机和水泵，上述的开关磁阻电机调速系统应用其中。

本发明的有益效果是可直接传动电气设备，通过设置定子极的极性分布来提高电机的输出转矩，减小了转矩脉动。

附图说明

图1是本发明四相32/24极结构开关磁阻电机结构示意图；

图2是图1的极性分布示意图；

图3是图2的动态转矩图；

图4是参照例的极性分布动态转矩图；

图5是本发明极性分布磁力线分布图；

图6是参照例的极性分布磁力线分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明包括A、B、C和D四相，A相包含A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7和A8，采用NSNSNSNS极性分布，B相包含B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7和B8，采用SNSNSNSN极性分布，C相包含C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8，采用SNSNSNSN极性分布，D相包含D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8，采用NSNSNSNS极性分布，每相八个凸极上的集中绕组串联构成一相绕组，A、B、C、D四相之间采用NSSN或SNNS的极性分布。

具体的，如图2所示，四相32/24极结构开关磁阻电机采用双凸极结构，具有32个定子凸极和23个转子凸极，包括A、B、C和D四相，A相包含A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7和A8，采用NSNSNSNS极性分布，B相包含B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7和B8，采用SNSNSNSN极性分布，C相包含C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8，采用SNSNSNSN极性分布，D相包含D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8，采用NSNSNSNS极性分布，每相八个凸极上的集中绕组串联构成一相绕组，A、B、C、D四相之间的极性分布如下：A1、B1、C1、D1为NSSN，A2、B2、C2、D2为SNNS，A3、B3、C3、D3为NSSN，A4、B4、C4、D4为SNNS，A5、B5、C5、D5为NSSN，A6、B6、C6、D6为SNNS，A7、B7、C7、D7为NSSN，A8、B8、C8、D8为SNNS。

定子极的绕组电流极性分布为

A1+A1-B1-B1+C1-C1+D1+D1-A2-A2+B2+B2-C2+C2-D2-D2+A3+A3-B3-B3+C3-C3+D3+D3-A4-A4+B4+B4-C4+C4-D4-D4+A5+A5-B5-B5+C5-C5+D5+D5-A6-A6+B6+B6-C6+C6-D6-D6+A7+A7-B7-B7+C7-C7+D7+D7-A8-A8+B8+B8-C8+C8-D8-D8+。磁极极性分布为NSSNSNNSNSSNSNNSNSSNSNNSNSSNSNNS。

据图示的电机结构参数，在有限元仿真软件FLUX中搭建该电机的有限元模型，并对该电机进行动态有限元电磁分析，得到电机的转矩波形如图3所示。在相同电机结构参数下，搭建了磁极极性分布为NNSS的电机有限元模型，对电机进行动态有限元电磁分析，得到电机转矩波形如图4所示

通过比较转矩波形可以发现，在磁极分布为NSSN方式下，电机的电磁转矩最大值为28.8N，平均转矩为11.9N，转矩脉动为44%。而磁极分布为NNSS方式下，电机的电磁转矩最大值为19.5N，平均转矩为8.4N，转矩脉动为48%。可见，NSSN方式下的磁极分布可以提高电机的输出转矩，减小了转矩脉动。

之所以出现上述情况，是因为在NSSN磁极分布方式下，电机的铁芯磁路以短磁路为主，如图5所示，而在NNSS磁极分布下，电机的铁芯磁路路径较长，如图6所示，与具有长磁路路径的电机相比，具有短磁路路径的电机铁芯磁压降较小，平均气隙磁通较大，因而提高了电机的输出转矩，减小了转矩脉动。

开关磁阻电机调速系统，它包括功率变换器、控制器、转子位置检测器和上述的四相32/24极结构开关磁阻电机构成，其中功率变换器最好采用四相不对称半桥式功率变换器，控制器采用以DSP或单片机为核心的全数字控制器，该开关磁阻电机调速系统可直接传动电气设备，其结构简单，无刷、无绕组、无永久磁体的转子结构，定子上只有简单的集中绕组，绝缘结构简单，制造简便，成本低，且发热大部分在定子，易于冷却，恶劣条件下调速性能良好、控制灵活，由单极性功率变换器供单方向电流激励，每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，避免了直通短路现象，具有较高的运行可靠性和容错能力，具有广阔的应用前景。

该开关磁阻电动机驱动装置遵循“最小磁阻原理”运行：通过转子位置检测器检测转子位置，由DSP或单片机根据转子位置检测器的输出信号，判断定、转子的相对位置；接着由DSP或单片机输出控制信号，用来控制四相不对称半桥式功率变换器的上管和下管的导通和关断，使电源对四相32/24极结构开关磁阻电机的相绕组通电和断电，吸引转子向定、转子间最小磁阻位置方向旋转。

节能调速风机和水泵，上述的开关磁阻电机调速系统应用其中，能够满足节能调速风机和水泵不同运行工况，实现电机动态转矩闭环控制，减小转矩脉动，提高转矩精度，使得电机在不同运行工况能够平滑切换，提高电机运行效率。

Claims

1.四相32/24极结构开关磁阻电机极性分布方法，其特征是它包括A、B、C和D四相，A相包含A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7和A8，采用NSNSNSNS极性分布，B相包含B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7和B8，采用SNSNSNSN极性分布，C相包含C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8，采用SNSNSNSN极性分布，D相包含D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8，采用NSNSNSNS极性分布，每相八个凸极上的集中绕组串联构成一相绕组，A、B、C、D四相之间采用NSSN或SNNS的极性分布。

2.如权利要求2所述的四相32/24极结构开关磁阻电机极性分布方法，其特征是所述A、B、C、D四相之间的极性分布如下：A1、B1、C1、D1为NSSN，A2、B2、C2、D2为SNNS，A3、B3、C3、D3为NSSN，A4、B4、C4、D4为SNNS，A5、B5、C5、D5为NSSN，A6、B6、C6、D6为SNNS，A7、B7、C7、D7为NSSN，A8、B8、C8、D8为SNNS。

3.如权利要求3所述的四相32/24极结构开关磁阻电机极性分布方法，其特征是所述定子极的绕组电流极性分布为

4.开关磁阻电机调速系统，其特征是它包括功率变换器、控制器、转子位置检测器和如权利要求1-3任一所述的四相32/24极结构开关磁阻电机。

5.节能调速风机，其特征是权利要求4中所述的开关磁阻电机调速系统应用其中。

6.水泵，其特征是权利要求4中所述的开关磁阻电机调速系统应用其中。