CN107769420B - 一种屏蔽式开关磁阻电机及低损耗控制方法 - Google Patents

一种屏蔽式开关磁阻电机及低损耗控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种屏蔽式开关磁阻电机及低损耗控制方法,工矿企业中使用。采用4相8/6拓扑结构电机,分别在定子、转子上安装定子屏蔽套和转子屏蔽套,定子屏蔽套和转子屏蔽套之间注有流动的液体,液体能够从屏蔽套之间穿过而不能进入定、转子槽。根据绕组匝数及转子转速,延长相电流的作用时间,保证相邻两相的气隙磁场在屏蔽套上产生的涡旋电流相互抵消,从而减小涡流损耗,控制电机运行时的温升。其结构简单、容错性能好,能够保证系统长期稳定地在液面下运行。本发明能够实现高倍数过载,起动转矩大,变速控制下运行效率高,运行平稳,适用于经常启停的工况。

Description

一种屏蔽式开关磁阻电机及低损耗控制方法
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电机及低损耗控制方法,尤其适用于一种工矿企业中使用的屏蔽式开关磁阻电机及低损耗控制方法。
背景技术
将泵体与屏蔽电机集成形成驱动系统:屏蔽电动机驱动液泵,输送无固体颗粒的液体,在船舶推动、化工液体输送、矿山冶金、深海开采、农业水利灌溉、特殊医疗设备等领域有重要应用。屏蔽电机的特点是在气隙中加入了金属屏蔽套,屏蔽套呈薄壁圆筒状,轴向贯穿电机本体。泵体输送的液体介质可以进入气隙,但被屏蔽套隔开不会进入绕组。该系统可长期稳定地工作在液面下无需人工维护。同时屏蔽套工作在交变的气隙磁场中,产生大量的涡流损耗,造成系统温升,严重影响了运行效率。
目前作为驱动结构多采用屏蔽鼠笼式感应电动机,该电机起动转矩小,容错性能不佳,驱动粘滞性液体时效率低,不利于变速运行。本发明针对日益增长的对于屏蔽电机更高性能更高可靠性的需求,提出一种适用于频繁启停、大转矩工况的屏蔽开关磁阻电动机,同时提出针对该电机的以降低涡流损耗为目标的控制策略。
发明内容
发明目的:针对上述现有技术,提出一种结构简单,能够提供大起动转矩、频繁起动、容错性好,且能够提高运行效率及控制电动机的温升的屏蔽式开关磁阻电机及低损耗控制方法。
技术方案:为实现上述技术目的,本发明的液浸式屏蔽开关磁阻电动机,包括定子铁芯、定子铁芯内设有转子铁芯,定子铁芯上设有绕组,定子铁芯与转子铁芯之间留有空气隙,定子铁芯内径上设有定子屏蔽套,转子铁芯外径上设有转子屏蔽套;
所述定子屏蔽套和转子屏蔽套为密封结构,定子屏蔽套和转子屏蔽套之间空气隙内注有液体,液体从定子屏蔽套和转子屏蔽套之间穿过,带走定子屏蔽套和转子屏蔽套自身产生感应涡流而引起的涡流损耗,控制电机温升。
所述液体包括水或油,定子屏蔽套和转子屏蔽套之间空气隙密封,并在两侧分别设有液体注入口和液体输出口,液体注入口和液体输出口之间设有液体输入排出装置。
所述液体输入排出装置为循环泵,所述循环泵上设有散热风扇。
所述屏蔽开关磁阻电动机为4相8/6型结构,定制上设有8个定子齿,转子铁芯上设有6个转子齿,两个转子齿之间设有转子齿槽,定子齿宽St与转子齿宽Rt之比为0.85-0.88。
所述电机轴向长度较小,其D/L比的数值为1.05-1.25,其中D为定子铁芯外直径,L为电机本体的有效长度。
根据绕组的匝数及转子铁芯转速,以转子铁芯转角位置为控制参数,提前打开相电流,同时滞后关闭相电流。
定子齿上的绕组的匝数为12-15,以转子位置机械角度为控制参数,延长相电流的作用时间的控制策略通过提前打开相电流同时滞后关闭相电流实现,提前打开相电流是指转子齿还未到达、距离非对齐位置还剩余1-2°机械角度时即通入相电流;滞后关闭相电流是指转子齿已经到达并超出对齐位置0-1°机械角度时才断开相电流。
相电流打开及关闭时距离对齐位置及非对齐位置的机械角度数值的选择原则与转子转速关系:低转速下通入相电流时对应的剩余机械角度的数值偏小而断开相电流时对应的超出机械角度的数值偏大,中等转速下通入相电流时对应的剩余机械角度的数值偏大而断开相电流时对应的超出机械角度的数值偏小,在接近最高转速下断开相电流时对应的超出机械角度的数值可以是负值,但不低于-1.5°,保证了相邻两相的气隙磁场在屏蔽套上产生的涡旋电流相互抵消,从而大大降低涡流损耗,提升平均输出转矩及系统效率。
一种使用权利要求1所述屏蔽式开关磁阻电机的低损耗控制方法,使用经典功率变换器电路控制,功率变换器由在绕组的两端各串联一个功率开关管S1和S2构成,其中开关管S1和绕组3的两端并联二极管D1,开关管S2和该绕组两端并联有二极管D2,其特征在于:
选择相电流的开断时机:保持对电机转子速度检测以及转子位置检测,电机工作时,转子齿顺时针从左向右移动时尚未到达、距离非对齐位置还剩余1-2°机械角度时向电机该相通入相电流;当转子齿从左向右移动时已经到达并超出对齐位置0-1°时断开该相电流,通过同时关闭功率开关管S1和功率开关管S2实现通入相电流;并通过同时断开功率开关管S1和功率开关管S2实现断开相电流,电机使绕组中的电能通过二极管D1和D2回到电源,从而有效降低电机损耗。
转子齿距离对齐位置及非对齐位置的角度数值选择原则与转子速度关系:
低转速下通入相电流时对应的剩余机械角度的数值偏小,而断开相电流时对应的超出机械角度的数值偏大,而中等转速下通入相电流时对应的剩余机械角度的数值偏大,而断开相电流时对应的超出机械角度的数值偏小,在接近最高速下断开相电流时对应的超出机械角度的数值不低于-1.5°,在通入及断开相电流的中间时段内根据需要维持相电流在某一个数值附近保持不变,根据经典控制方法,此时需要关闭距离电源负极较近的一个功率开关管S2,另一个开关管S1以一定的频率开断,使得绕组电感处于充电-续流更替的状态。
有益效果:本申请的电机结构采用4相8/6结构,确保了屏蔽套的安装机械强度,同时输出转矩更加平稳,保证电机系统长期稳定运行。该结构没有显著增加转子旋转一周所需的相电流激励次数,减小了屏蔽套上的涡流损耗。与此同时,D/L比的选择及以转子位置为控制参数提前打开相电流、同时滞后关闭相电流的控制策略进一步降低了该损耗,保证系统高效运行。本申请的定子屏蔽套和转子屏蔽套为密封结构,定子屏蔽套和转子屏蔽套之间设有空气隙,空气隙内循环注有液体,液体从定子屏蔽套和转子屏蔽套之间穿过,带走定子屏蔽套和转子屏蔽套自身产生感应涡流而引起的涡流损耗,控制电机温升。
本申请优点:本发明提出的液浸式开关磁阻电动机,起动转矩大,转矩脉动较小;电机容错性好,抗干扰能力强,能应对频繁启停的工况;电机结构简单,制造及维护成本低,能满足高温、高压、腐蚀性液体等特殊工况。
附图说明
图1是本发明屏蔽开关磁阻电动机的结构示意图。
图2(a)是本发明屏蔽开关磁阻电动机转子在非对齐位置的屏蔽开关磁阻电动控制方法示意图:
图2(b)是本发明屏蔽开关磁阻电动机转子在对齐位置的屏蔽开关磁阻电动控制方法示意图;
图3为经典的功率变换器电路图;
图4为本发明的屏蔽开关磁阻电动控制方法。
图中:1-定子铁芯,2-转子铁芯,3-绕组,4-定子屏蔽套,5-转子屏蔽套,6-空气隙,7-定子齿,8-转子齿,9-转子齿槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
如图1所示,本发明的液浸式屏蔽开关磁阻电动机,包括定子铁芯1、定子铁芯1内设有转子铁芯2,定子铁芯1上设有绕组3,根据绕组3的匝数及转子铁芯2转速,以转子铁芯2转角位置为控制参数,提前打开相电流,同时滞后关闭相电流,定子铁芯1与转子铁芯2之间留有空气隙6,定子铁芯1内径上设有定子屏蔽套4,转子铁芯2外径上设有转子屏蔽套5;如图2a和图2b,所述屏蔽开关磁阻电动机为4相8/6型结构,定制上设有8个定子齿7,转子铁芯2上设有6个转子齿8,两个转子齿8之间设有转子齿槽9,定子齿7宽St与转子齿8宽Rt之比为0.85-0.88,所述电机轴向长度较小,其D/L比的数值为1.05-1.25,其中D为定子铁芯外直径,L为电机本体的有效长度。
所述定子屏蔽套4和转子屏蔽套5为密封结构,定子屏蔽套4和转子屏蔽套5之间空气隙6内注有液体,液体从定子屏蔽套4和转子屏蔽套5之间穿过,带走定子屏蔽套4和转子屏蔽套5自身产生感应涡流而引起的涡流损耗,控制电机温升。所述液体包括水或油,定子屏蔽套4和转子屏蔽套5之间空气隙6密封,并在两侧分别设有液体注入口和液体输出口,液体注入口和液体输出口之间设有液体输入排出装置,所述液体输入排出装置为循环泵,所述循环泵上设有散热风扇。
定子齿7上的绕组3的匝数为12-15,以转子位置机械角度为控制参数,延长相电流的作用时间的控制策略通过提前打开相电流同时滞后关闭相电流实现,提前打开相电流是指转子齿8还未到达、距离非对齐位置还剩余1-2°机械角度时即通入相电流;滞后关闭相电流是指转子齿8已经到达并超出对齐位置0-1°机械角度时才断开相电流。
相电流打开及关闭时距离对齐位置及非对齐位置的机械角度数值的选择原则与转子转速关系:低转速下通入相电流时对应的剩余机械角度的数值偏小而断开相电流时对应的超出机械角度的数值偏大,中等转速下通入相电流时对应的剩余机械角度的数值偏大而断开相电流时对应的超出机械角度的数值偏小,在接近最高转速下断开相电流时对应的超出机械角度的数值可以是负值,但不低于-1.5°,保证了相邻两相的气隙磁场在屏蔽套上产生的涡旋电流相互抵消,从而大大降低涡流损耗,提升平均输出转矩及系统效率。
如图3和图4所示,一种屏蔽式开关磁阻电机低损耗控制方法,使用经典功率变换器电路控制,功率变换器由在绕组的两端各串联一个功率开关管S1和S2构成,其中开关管S1和绕组3的两端并联二极管D1,开关管S2和该绕组两端并联有二极管D2,其特征在于:
选择相电流的开断时机:保持对电机转子速度检测以及转子位置检测,电机工作时,转子齿8顺时针从左向右移动时尚未到达距离非对齐位置还剩余1-2°机械角度时向电机该相通入相电流;当转子齿8从左向右移动时已经到达并超出对齐位置0-1°时断开该相电流,通过同时关闭功率开关管S1和功率开关管S2实现通入相电流;并通过同时断开功率开关管S1和功率开关管S2实现断开相电流,电机使绕组中的电能通过二极管D1和D2回到电源,从而有效降低电机损耗。
所述转子齿8距离对齐位置及非对齐位置的角度数值选择原则与转子速度关系:
低转速下通入相电流时对应的剩余机械角度的数值偏小,而断开相电流时对应的超出机械角度的数值偏大,而中等转速下通入相电流时对应的剩余机械角度的数值偏大,而断开相电流时对应的超出机械角度的数值偏小,在接近最高速下断开相电流时对应的超出机械角度的数值不低于-1.5°,在通入及断开相电流的中间时段内根据需要维持相电流在某一个数值附近保持不变,根据经典控制方法,此时需要关闭距离电源负极较近的一个功率开关管S2,另一个开关管S1以一定的频率开断,使得绕组电感处于充电-续流更替的状态。
如图2所示,屏蔽开关磁阻电动机控制策略示包含两个重要的转子位置——非对齐位置(a)与对齐位置(b)。非对齐位置是指定子齿(7)的中心线与转子齿槽(9)的中心线处于同一直线上;对齐位置是指定子齿(7)的中心线与转子齿(8)的中心线处于同一直线上。定子齿(7)上的绕组(3),其匝数为12-15,通电后转子齿(8)从左向右移动。以转子位置机械角度为控制参数,延长相电流的作用时间的控制策略通过提前打开相电流同时滞后关闭相电流实现。提前打开相电流是指转子齿(8)从左向右移动时尚未到达、距离非对齐位置还剩余1-2°机械角度时即通入相电流;滞后关闭相电流是指转子齿(8)从左向右移动时已经到达并超出对齐位置0-1°机械角度时才断开相电流。在上述机械角度范围内,转子齿距离对齐位置及非对齐位置的角度数值选择原则与转子速度有关:低转速下通入相电流时对应的机械角度的数值偏小而断开相电流时对应的机械角度的数值偏大,中等转速下通入相电流时对应的机械角度的数值偏大而断开相电流时对应的机械角度的数值偏小,在接近最高转速下断开相电流时对应的超出机械角度的数值可以是负值,但不低于-1.5°。该控制策略可能产生少量的反向转矩,但较大限度地保证相邻两相的气隙磁场在屏蔽套上产生的涡旋电流相互抵消,从而大大降低涡流损耗,提升平均输出转矩及系统效率。

Claims (9)

1.一种屏蔽式开关磁阻电机,包括定子铁芯(1)、定子铁芯(1)内设有转子铁芯(2),定子铁芯(1)上设有绕组(3),其特征在于:定子铁芯(1)与转子铁芯(2)之间留有空气隙(6),定子铁芯(1)内径上设有定子屏蔽套(4),转子铁芯(2)外径上设有转子屏蔽套(5);
所述定子屏蔽套(4)和转子屏蔽套(5)为密封结构,定子屏蔽套(4)和转子屏蔽套(5)之间空气隙(6)内注有液体,液体从定子屏蔽套(4)和转子屏蔽套(5)之间穿过,带走定子屏蔽套(4)和转子屏蔽套(5)自身产生感应涡流而引起的涡流损耗,控制电机温升;
定子齿(7)上的绕组(3)的匝数为12-15,以转子位置机械角度为控制参数,延长相电流的作用时间的控制策略通过提前打开相电流同时滞后关闭相电流实现,提前打开相电流是指转子齿(8)还未到达、距离非对齐位置还剩余1-2°机械角度时即通入相电流;滞后关闭相电流是指转子齿(8)已经到达并超出对齐位置0-1°机械角度时才断开相电流。
2.根据权利要求1所述的屏蔽式开关磁阻电机,其特征在于:所述液体包括水或油,定子屏蔽套(4)和转子屏蔽套(5)之间空气隙(6)密封,并在两侧分别设有液体注入口和液体输出口,液体注入口和液体输出口之间设有液体输入排出装置。
3.根据权利要求1所述的屏蔽式开关磁阻电机,其特征在于:所述液体输入排出装置为循环泵,所述循环泵上设有散热风扇。
4.根据权利要求1所述的屏蔽式开关磁阻电机,其特征在于:所述屏蔽开关磁阻电动机为4相8/6型结构,定制上设有8个定子齿(7),转子铁芯(2)上设有6个转子齿(8),两个转子齿(8)之间设有转子齿槽(9),定子齿(7)宽St与转子齿(8)宽Rt之比为0.85-0.88。
5.根据权利要求1所述的屏蔽式开关磁阻电机,其特征在于:所述电机轴向长度较小,其D/L比的数值为1.05-1.25,其中D为定子铁芯外直径,L为电机本体的有效长度。
6.根据权利要求1所述的屏蔽式开关磁阻电机,其特征在于:根据绕组(3)的匝数及转子铁芯(2)转速,以转子铁芯(2)转角位置为控制参数,提前打开相电流,同时滞后关闭相电流。
7.根据权利要求6所述的屏蔽式开关磁阻电机,其特征在于:相电流打开及关闭时距离对齐位置及非对齐位置的机械角度数值的选择原则与转子转速关系:低转速下通入相电流时对应的剩余机械角度的数值偏小而断开相电流时对应的超出机械角度的数值偏大,中等转速下通入相电流时对应的剩余机械角度的数值偏大而断开相电流时对应的超出机械角度的数值偏小,在接近最高转速下断开相电流时对应的超出机械角度的数值可以是负值,但不低于-1.5°,保证了相邻两相的气隙磁场在屏蔽套上产生的涡旋电流相互抵消,从而大大降低涡流损耗,提升平均输出转矩及系统效率。
8.一种使用权利要求1所述屏蔽式开关磁阻电机的低损耗控制方法,使用经典功率变换器电路控制,功率变换器由在绕组的两端各串联一个功率开关管S1和S2构成,其中开关管S1和绕组3的两端并联二极管D1,开关管S2和该绕组两端并联有二极管D2,其特征在于:
选择相电流的开断时机:保持对电机转子速度检测以及转子位置检测,电机工作时,转子齿(8)顺时针从左向右移动时尚未到达距离非对齐位置还剩余1-2°机械角度时向电机选择相通入相电流;当转子齿(8)从左向右移动时已经到达并超出对齐位置0-1°时断开该相电流,通过同时关闭功率开关管S1和功率开关管S2实现通入相电流;并通过同时断开功率开关管S1和功率开关管S2实现断开相电流,电机使绕组中的电能通过二极管D1和D2回到电源,从而有效降低电机损耗。
9.根据权利要要求8所述的低损耗控制方法,其特征在于转子齿(8)距离对齐位置及非对齐位置的角度数值选择原则与转子速度关系:
低转速下通入相电流时对应的剩余机械角度的数值偏小,而断开相电流时对应的超出机械角度的数值偏大,而中等转速下通入相电流时对应的剩余机械角度的数值偏大,而断开相电流时对应的超出机械角度的数值偏小,在接近最高速下断开相电流时对应的超出机械角度的数值不低于-1.5°,在通入及断开相电流的中间时段内根据需要维持相电流在某一个数值附近保持不变,根据经典控制方法,此时需要关闭距离电源负极较近的一个功率开关管S2,另一个开关管S1以一定的频率开断,使得绕组电感处于充电-续流更替的状态。
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