CN107800260A - 一种多相磁场正交永磁无刷直流电机及其驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的多相磁场正交的永磁无刷直流电机，由定子和转子构成，转子由转轴、转子铁心和永磁体组成，定子由定子铁心和绕组组成，其特征在于，设定定子铁心的槽数为Z，极对数p，将相距为整数倍极距(τ＝Z/2p)槽归为一相，则电机总相数为m＝Z/2p，每相包含的槽数为2p。本发明还公开了用以驱动该多相磁场正交的永磁无刷直流电机的驱动装置。本发明的核心思想是以定转子磁场正交为目的，通过对定子绕组的创新改进和驱动控制器的创新发明，使其产生的定子磁动势与转子磁场保持同步并正交，产生最大电磁转矩，从而克服现有永磁无刷直流电机转矩密度低的缺陷。

Description

一种多相磁场正交永磁无刷直流电机及其驱动装置
技术领域
本发明涉及永磁无刷直流电机技术领域，特别涉及一种多相磁场正交永磁无刷直流电机及其驱动装置。
背景技术
目前，永磁无刷直流电机采用三相对称绕组和60度导通的供电方式，在1/6个电周期内，定子磁动势保持静止，转子磁动势旋转，这样难以保证定、转子磁动势正交，因此不能产生最大的电磁转矩，且每个时刻电机只有2/3绕组通电，绕组利用率低，导致电机的转矩密度低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于针对现有永磁无刷直流电机难以保证定、转子磁动势正交，因此不能产生最大的电磁转矩，且每个时刻电机只有2/3绕组通电，绕组利用率低，导致电机的转矩密度低的技术问题而提供一种多相磁场正交的永磁无刷直流电机。
本发明所要解决的技术问题之二提供一种用以驱动上述多相磁场正交的永磁无刷直流电机的驱动装置，其使得该多相磁场正交的永磁无刷直流电机的定、转子磁动势同步旋转并且保持正交，且利用电机全部绕组，从而产生最大电磁转矩。
作为本发明第一方面的多相磁场正交的永磁无刷直流电机，由定子和转子构成，转子由转轴、转子铁心和永磁体组成，定子由定子铁心和绕组组成，其特征在于，设定定子铁心的槽数为Z，极对数p，将相距为整数倍极距(τ＝Z/2p)槽归为一相，则电机总相数为m＝Z/2p，每相包含的槽数为2p。
在本发明的一个优选实施例中，所述绕组为单层绕组，则相距为一个极距的槽内导体构成一个线圈，同一相内的线圈相互并联。
作为本发明第二方面的用以驱动上述多相磁场正交的永磁无刷直流电机的驱动装置，其特征在于，由若干个可逆变换器组成，每个可逆变换器由4个功率器件构成，其中每两个功率器件串联为一组构成一串联组，然后再将两个串联组并联形成一可逆变换器，所述可逆变换器的个数与被驱动的多相磁场正交的永磁无刷直流电机的相数相同，所述多相磁场正交的永磁无刷直流电机每相绕组与一个可逆变换器连接；所有的可逆变换器都并联在一个直流电源上。
在本发明的一个优选实施例中，所述功率器件为IGBT或者场效应管。
本发明的核心思想是以定转子磁场正交为目的，通过对定子绕组的创新改进和驱动控制器的创新发明，使其产生的定子磁动势与转子磁场保持同步并正交，产生最大电磁转矩，从而克服现有永磁无刷直流电机转矩密度低的缺陷。
附图说明
图1为本发明多相磁场正交的永磁无刷直流电机一种实施方式的分相原理示意图。
图2为本发明多相磁场正交的永磁无刷直流电机一种实施方式的绕组展开示意图。
图3为本发明一种驱动多相磁场正交的永磁无刷直流电机的电原理示意图。
图4a至图5c为本发明多相磁场正交的永磁无刷直流电机工作过程示意图。
具体实施方式
本发明多相磁场正交永磁无刷电机由定子和转子构成，转子由转轴、转子铁心和永磁体组成，与一般的无刷直流电机转子相同；定子由定子铁心和绕组组成，本发明提出了一种新型多相绕组结构，具体方案如下：
(1)分相
假设本发明多相磁场正交永磁无刷电机的定子铁心槽数为Z，极对数p，将相距为整数倍极距(τ＝Z/2p)槽归为一相，则电机总相数为m＝Z/2p，每相包含的槽数为2p。
下面以一个Z＝20，p＝2的多相磁场正交永磁无刷电机具体说明：
该多相磁场正交永磁无刷电机一共分为m＝20/2/2＝5相，命名为A、B、C、D、E相，每相包含2*2＝4个槽。该电机极距为20/2/2＝5，所以A相包含的槽为：1、6、11、16；B相包含的槽为：2、7、12、17；C相包含的槽为：3、8、13、18；D相包含的槽为：4、9、14、19；E相包含的槽为：5、10、15、20。如图1所示。
(2)绕组连接
本发明多相磁场正交永磁无刷电机为单层绕组，则相距为一个极距的槽内导体构成一个线圈，同一相内的线圈相互并联。
下面仍以Z＝20，p＝2的电机具体说明。对于A相，槽1和槽6中的导体构成一个线圈A1，槽11和槽16中的导体构成线圈A2，这两个线圈并联，构成A相绕组A-a，其它相绕组连接类似，电机绕组展开图如图2。
二、驱动装置
本发明的驱动装置提出了多相可逆并联的驱动电路，该驱动电路由若干个可逆变换器组成，每个可逆变换器由4个功率器件构成，功率器件可以是IGBT或者场效应管，其中每两个功率器件串联为一组(串联组)，然后再将两个串联组并联，可逆变换器的个数与被驱动电机的相数相同，所有的可逆变换器都并联在一个直流电源上。
多相磁场正交永磁无刷电机每相绕组与驱动电路中的一个可逆变换器连接，以A-a相绕组为例，相绕组一端(A)接在一个串联组的中点，即VA1和VA2之间；另一端(a)接在另一个串联组的中点，即VA3和VA4之间，其余各相绕组，以此规律连接，多相可逆并联驱动电路结构及其与电机绕组的连接如图3所示。
三、运行原理说明
下面以4极20槽多相磁场正交永磁无刷电机及其驱动系统为例，说明其运行原理。设多相磁场正交永磁无刷电机逆时针旋转，多相磁场正交永磁无刷电机初始位置如图4a所示。此时，开通每个可逆变换器的1、4号功率器件，关断2、3号器件，此时相绕组中电流的极性如图4b所示，永磁体产生的磁动势空间矢量Ff与电枢绕组产生的磁动势空间矢量Fa空间位置如图4c所示。从图中可以看出，转子磁动势Ff与电枢磁动势Fa相位相差90度电角度，是正交磁场，并且电机所有绕组均通入电流，因此产生的电磁转矩最大。
当转子旋转过一个槽距角，处于图5a的位置时，E相可逆变换器中1、4号功率器件关断，2、3号功率器件开通，此时E相绕组电流极性反向，电机电枢电流极性如图5b所示，永磁体产生的磁动势空间矢量Ff与电枢绕组产生的磁动势空间矢量Fa空间位置如图5c所示。从图中可以看出，转子磁动势Ff与电枢磁动势Fa相位依然相差90度电角度，是正交磁场，且电机所有绕组均通入电流，因此产生的电磁转矩最大。
当转子继续旋转过一个槽距角，D相可逆变换器开通2、3号功率器件、关断1、4号功率器件，电机每转过一个槽距角，依次循环，保证电机在整过旋转过程中转子磁动势Ff与电枢磁动势Fa保持正交，且电机所有绕组均通入电流，产生最大电磁转矩。

Claims (4)

1.多相磁场正交的永磁无刷直流电机，由定子和转子构成，转子由转轴、转子铁心和永磁体组成，定子由定子铁心和绕组组成，其特征在于，设定定子铁心的槽数为Z，极对数p，将相距为整数倍极距(τ＝Z/2p)槽归为一相，则电机总相数为m＝Z/2p，每相包含的槽数为2p。
2.如权利要求1所述的多相磁场正交的永磁无刷直流电机，其特征在于，所述绕组为单层绕组，则相距为一个极距的槽内导体构成一个线圈，同一相内的线圈相互并联。
3.用以驱动权利要求1或2的多相磁场正交的永磁无刷直流电机的驱动装置，其特征在于，由若干个可逆变换器组成，每个可逆变换器由4个功率器件构成，其中每两个功率器件串联为一组构成一串联组，然后再将两个串联组并联形成一可逆变换器，所述可逆变换器的个数与被驱动的多相磁场正交的永磁无刷直流电机的相数相同，所述多相磁场正交的永磁无刷直流电机每相绕组与一个可逆变换器连接；所有的可逆变换器都并联在一个直流电源上。
4.权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，所述功率器件为IGBT或者场效应管。
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