CN107979255A - 一种大转矩低脉动的双定子轴向磁通开关磁阻电机 - Google Patents

一种大转矩低脉动的双定子轴向磁通开关磁阻电机 Download PDF

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CN107979255A CN201610924039.1A CN201610924039A CN107979255A CN 107979255 A CN107979255 A CN 107979255A CN 201610924039 A CN201610924039 A CN 201610924039A CN 107979255 A CN107979255 A CN 107979255A
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李强
孙炜
金天
赵雨清
朱莲莉
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Abstract

本发明公开了一种大转矩低脉动的双定子轴向磁通开关磁阻电机，其组成包括：两块定子(1，2)、一块转子(3)和电枢绕组(4)，将转子(3)通过键(6)固定安装于转轴(5)上，再将电枢绕组(4)绕制在定子(1，2)的铁心齿上，在电枢绕组(4)绕制完成后将两块定子(1，2)分别安装于转子铁心(2)两侧，并通过轴承(7)安装在转轴(5)上，随后通过电机端盖(8)将轴承(7)的轴向进行固定，其特征在于：转子(3)由三部分组成，包括两块转子铁心(301，302)和一块圆盘形的非导磁材料(303)组成，且两块转子铁心之间的角度差为180°/Nr，其中Nr为转子磁极数。该电机能有效地削弱转矩脉动，且可以提高电机的电磁转矩。

Description

一种大转矩低脉动的双定子轴向磁通开关磁阻电机
技术领域
本发明属于电机领域，具体涉及一种大转矩低脉动的双定子轴向磁通开关磁阻电机。
背景技术
1821年法拉第发明的第一台电机就是盘式电机，由于受到当时技术及工艺条件的限制，盘式电机没有被深入研究。随着电机技术的不断提高，从20世纪40年代开始，轴向磁场盘式电机又重新受到电机界的重视。研究表明，轴向磁场盘式电机具有功率密度高、转矩大、工艺简单、结构紧凑等特点，在体积、重量及噪音等方面都优于传统的径向磁场电机，适用于要求频繁起动、紧急停止、准确定位等各类机械装置中。目前，针对轴向磁场盘式电机的研究主要集中在永磁电机和感应电机，取得了一些研究成果，研制了许多不同类型、不同结构、不同用途的盘式电机。近几年，有学者开始将轴向磁场盘式结构应用到开关磁阻电机中。普通径向磁场开关磁阻电机具有以下特点：定、转子为双凸极结构，转子上即无绕组又无永磁体，结构简单、坚固，特别适合于高速、高温、振动等恶劣环境；各相绕组独立工作，可以缺相运行，容错能力强；功率变换器的开关元件与绕组串联，无上下桥臂直通短路的危险，驱动简单，可靠性高；启动电流小，起动转矩大，适用于要求频繁起动的场合；可控参数多，控制灵活，调速性能好，具有宽广的调速范围和高效率范围。将开关磁阻电机与轴向磁场盘式结构相结合，形成轴向磁场盘式开关磁阻电机，具有开关磁阻电机和轴向磁场盘式电机的综合优势。尽管具有如此之多的优点，却依旧难以解决开关磁阻电机转矩脉动较大的问题。
发明内容
本发明的目的是要提供一种大转矩低脉动的双定子轴向磁通开关磁阻电机，它能有效地削弱转矩脉动，达到抑制振动的目的，且可以提高电机的电磁转矩，以增大电机出力。
实现本发明目的的技术解决方案为：
1、一种大转矩低脉动的双定子轴向磁通开关磁阻电机，其组成包括：两块定子1，2、一块转子3和电枢绕组4，将转子3通过键6固定安装于转轴5上，再将电枢绕组4绕制在定子1，2的铁心齿上，在电枢绕组4绕制完成后将两块定子1，2分别安装于转子铁心2两侧，并通过轴承7安装在转轴5上，随后通过电机端盖8将轴承7的轴向进行固定，其特征在于：转子3由三部分组成，包括两块转子铁心301，302和一块圆盘形的非导磁材料303组成，且两块转子铁心之间的角度差为180°/Nr，其中Nr为转子磁极数。
2、根据权利要求1所述的轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于：所述定子1，2采用E型的铁心结构，包括外部环形铁心齿101，201、内部环形铁心齿102，202、中间铁心齿103，203和铁心轭104，204。
3、根据权利要求1或2所述的轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于：电枢绕组4绕制在E型铁心的中间铁心齿103，203上。
4、根据权利要求1或3所述的轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于：绕制在两侧定子1，2上相对位置的中间铁心齿103和中间铁心齿203上的电枢绕组4采用互补驱动信号控制方式，即当中间铁心齿103上的电枢绕组4驱动导通时，中间铁心齿203上的电枢绕组4驱动关闭；当中间铁心齿103上的电枢绕组4驱动关断时，中间铁心齿203上的电枢绕组4驱动导通。
5、根据权利要求1所述的轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于：所述的转子铁心301和转子铁心302的转子磁极采用扇形极面或矩形极面，分别对应于直极和斜极。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
1、两块转子铁心之间的角度差为180°/Nr，使得绕制在两侧定子相对位置的中间铁心齿上电枢绕组的电感呈现相反的变化趋势，因此可采用互补驱动信号控制方式，以简化驱动控制电路；
2、由于两侧定子相对位置的电枢绕组采用的是互补驱动信号控制方式，电机的导通方式实为多相绕组同时导通，使得电机具有较小的转矩脉动和较大的电磁转矩；
3、电机的定子采用E型的铁心结构，将磁通严格限制E型主磁路内，具有短磁路，可以有效改善传统开关磁阻电机绕组的端部漏磁问题；
4、电机的短磁路特性可以有效削弱铁心损耗；
5、电机内部各磁通回路相互独立，便于将模型简化，进行模块化设计。
附图说明
图1是所述轴向磁通开关磁阻电机的结构全剖示意图；
图2是所述轴向磁通开关磁阻电机的剖面A-A剖视图；
图3是所述轴向磁通开关磁阻电机的剖面B-B剖视图；
图4是所述轴向磁通开关磁阻电机的剖面C-C剖视图；
图5是所述轴向磁通开关磁阻电机的一侧定子结构示意图；
图6是所述轴向磁通开关磁阻电机的另一侧定子结构示意图；
图7是所述轴向磁通开关磁阻电机的转子结构示意图；
图8是所述轴向磁通开关磁阻电机在转子位置1情况下的磁路图；
图9是所述轴向磁通开关磁阻电机在转子位置2情况下的磁路图；
图10是所述轴向磁通开关磁阻电机的三维爆破图；
图11是线性模型中相电感与转子位置角θ的关系曲线图；
图12是磁链与位置角的关系曲线图；
图13是绕组相电流和转子位置角的关系曲线图；
图14是电磁转矩随转子位置角变化曲线图；
图15是分段线性磁化曲线图；
图16是所述轴向磁通开关磁阻电机的相绕组电感曲线及相应相绕组的理想方波电流驱动波形；
图17是通过有限元仿真得到的所述轴向磁通开关磁阻电机的转矩波形。
图中：1为一侧定子，2为另一侧定子，3为转子，4为电枢绕组，5为转轴，6为键，7为轴承，8为端盖，101和201为外部环形铁心齿，102和202为内部环形铁心齿，103和203为中间铁心齿，104和204为铁心轭，301和302为转子铁心，303为圆盘形的非导磁材料。
具体实施方式
一种大转矩低脉动的双定子轴向磁通开关磁阻电机，其组成包括：两块定子1，2、一块转子3和电枢绕组4，将转子3通过键6固定安装于转轴5上，再将电枢绕组4绕制在定子1，2的铁心齿上，在绕组绕制完成后将两块定子1，2分别安装于转子铁心2两侧，并通过轴承7安装在转轴5上，随后通过电机端盖8将轴承7的轴向进行固定，其特征在于：转子3由三部分组成，包括两块转子铁心301，302和一块圆盘形的非导磁材料303组成，且两块转子铁心之间的角度差为180°/Nr，其中Nr为转子磁极数。该技术方案具体实施如下：
1.电机结构和基本原理
所述电机的各部位结构如图5～7所示，其中图5为一侧定子结构示意图，图6为另一侧定子结构示意图，图7为转子结构示意图。所述电机的爆破模型如图10所示。
所述电机的各相绕组电感曲线如图16(a)～(f)中的上图所示，图中LA1(θ)、LB1(θ)和LC1(θ)分别为一侧定子上的三相绕组电感曲线，而LA2(θ)、LB2(θ)和LC2(θ)分别为另一侧定子上的三相绕组电感曲线。LA1(θ)和LA2(θ)、LB1(θ)和LB2(θ)、LC1(θ)和LC2(θ)分别为两侧定子相对位置的相绕组电感曲线。由图16可以看出，当一侧线圈处于电感上升阶段的同时，另一侧相对位置的线圈则处于电感下降阶段，因此可采用互补驱动信号控制方式对两侧相对位置的线圈进行控制，所需各相绕组的理想方波电流波形分别如图16(a)～(f)中的下图所示。
图8和图9分别给出了该电机在两侧定子相对位置电枢绕组采用互补驱动信号控制方式情况下两个典型转子位置时的主磁路。在图8所示转子位置，右侧线圈导通而左侧线圈关断，主磁通由右侧线圈电流激励产生。主磁通在经由定子中间铁心齿、气隙进入转子铁心后一分为二，一部分磁通沿转子铁心极径向方向向外经过转子铁心极、外部气隙、定子外部环形铁心齿、定子轭回到定子中间铁心齿构成闭合磁路；另一部分磁通沿转子铁心极径向方向向内经过转子铁心极、内部气隙、定子内部环形铁心齿、定子轭回到定子中间铁心齿构成闭合磁路。在图9中，两侧定子相对位置线圈的导通方式与图8中恰好相反，为左侧线圈导通，右侧线圈关断。由于当右侧绕组导通，即右侧线圈处于电感上升区时，左侧绕组关断，即左侧线圈电感处于电感下降区，相同的绕组通断情况可以类推到其它相，因此该电机具有较高的绕组利用率，且具有较小的转矩脉动。
2.主要参数计算
2.1负荷和磁负荷
开关磁阻电机的电负荷A是指定子内径表面每单位长度上导体中的总电流，表达式为
式中，I为绕组电流有效值，Dsi＝Ri+Ro为电枢直径，Nph为每相绕组串联匝数，q为相数。
每极主磁通均出入一个转子齿截面积的范围，定义磁负荷为
一般情况下，Bδ取0.3～0.6T之间，A取15000～50000A/m。
2.2主要尺寸与电磁负荷的关系
电机的电磁负荷是指电机的电负荷A和磁负荷Bδ。它们与电机主要尺寸的确定直接相关，并影响到电机的运行特性、效率、温升等，是电机设计中的重要参数，开关磁阻电机由于是双凸极结构，应从等效的意义上去看待电磁负荷。绕组电流有效值可写为
式中，T为一个电流周期的时间；im为实际电流峰值；ki为峰值电流系数，与电流波形有关。
对不同结构、容量开关磁阻电机的大量实际计算表明，额定工况下，绕组电流系数ki＝0.48～0.51，一般取ki＝0.5。
设理想方波电流幅值为
Im＝kmim (2-4)
在尺寸预估初期，可取km＝0.8。确定电机主要尺寸时将采用等效的方波电流，其结果更接近实际情况。设理想方波电流幅值为Im，则
由于开关磁阻电机存在主开关管导通时电源向励磁绕组供电和主开关管关断时励磁绕组储存能量续流返回电源的两种过程，返回电源的这部分能量不包含在电磁功率中，故定义开关磁阻电机每相绕组一个开关周期的负荷系数为
则电磁功率可写为
Pem＝qeaiaKd (2-7)
式中，ea、ia分别为相绕组中的感应电动势和电流。
在方波电流的假设下，并忽略定子绕组电阻，则
Pem＝qUImKd (2-8)
式中，U为绕组端电压。
忽略绕组电阻，由电压平衡方程，有
最大磁链ψm出现在关断角θoff位置。确定电机磁负荷后就可以将最大磁链表示为Bδ的函数。
由(2-1)～(2-11)的，所研究电机的功率方程为
由(2-12)即可得到电机的主体结构尺寸。
2.3绕组端电压
开关磁阻电机可以直接采用直流电流或采用交流经整流得到的直流电源。当采用单相或三相交流电源整流，设Ud为全波整流后的直流电压，则
式中，U2为交流电源的相电压。
2.4定、转子极弧的选择
定、转子极弧的确定，应保证对任何转子位置，开关磁阻电机均具有正、反方向的自起动能力。因而要求，当某一相定、转子极处于极对极，相邻相定、转子极必须有一定的重叠，也即要求两相邻相电感曲线上升期具有一定的重叠，所以要求定、转子极弧需满足的必要条件为
当式(2-14)不满足时，开关磁阻电机只具有单方向自起动能力，起动时电机转向因转子位置的不同而改变。上述必要条件可用一个“关系三角形”来描述。
2.5气隙
开关磁阻电机实际上存在着两个气隙。第一气隙lg是指定、转子磁极表面之间空气隙的距离，其影响最大电感Lmax的值。第二气隙(lg+bry)是指定子磁极表面到转子槽底之间空气隙的距离，其影响最小电感Lmin值。
为了取得较大的电磁转矩，减小功率变换器伏安容量的要求，应尽可能减小气隙lg，但受到装配工艺和加工工艺的约束，气隙lg也不能太小，小型电机气隙一般不应小于0.25mm。
为了取得较低的最小电感Lu，提高电机的输出功率，第二气隙(lg+bry)应该尽可能大一点，但不能过度，否则会导致电机轴向长度过长。
2.6转子轭高
转子轭高bry应该保证轭部铁芯出现最大磁通密度时不会发生过饱和，因此应该取
在不考虑轴向长度限制的情况下，bry可以取大一些。
2.7轴径
轴径Rii不能过小，否则会影响机械强度，导致转子振动、动偏心、电机噪声增大等问题，如果有必要，应该校核轴的扰度、临界转速和强度。
2.8定子轭高
定子轭高bsy应保证轭部铁芯出现最大磁通密度时不发生过饱和现象，较大的bsy可以有效抑制电机的振动和噪声，其选取原则同转子轭高，如(2-16)式。
2.9内、外部环形铁心齿的径向宽度
与定子轭高bsy的选取原则相同，内、外部环形铁心齿的径向宽度(Rio-Rii)和(Roo-Roi)的取值范围分别为
2.10定子槽深
为了提供较大的绕组空间，采用大的导线截面以减小电机铜耗，定子槽深hs应该尽可能大一点。
2.11电流密度和槽满率
对于给定的电机几何尺寸，绕组的有效空间是一定的，槽满率为Ks，一般取0.35～0.5，在保证额定输出功率且绕组空间允许的情况下，匝数越多，绕组电流峰值越小，对降低开关管的伏安容量有利。确定绕组匝数之后，在决定导线截面时需要校核导线电流密度J，对于连续工作制电机，一般取J＝4～5.5A/mm2。
2.12损耗计算
开关磁阻电机的损耗主要有铜耗、铁耗、机械损耗和杂散损耗。铜耗正比于电流有效值的平方，铁耗主要是涡流损耗和磁滞损耗，机械损耗由轴承损耗和通风损耗组成，杂散损耗比较复杂，一般按照铜耗、铁耗和机械损耗的7％来计算。
铜耗的计算公式为
Pcu＝qI2RP (2-19)
式中，I为相绕组电流的有效值，RP为相绕组的电阻。
铁耗的计算公式为
式中，ρ为硅钢片电阻率，e为硅钢片厚度，G为经验系数。
机械损耗的计算公式为
Pfw＝5.4×10-5n0.7PN (2-21)
式中，n为电机转速，PN为额定功率。
3.数学模型
3.1线性模型
开关磁阻电机内部的电磁关系和运行特性都非常复杂，对了不陷入复杂烦琐的数学推导，突出其基本物理特性，必须对模型进行一定简化。
在线性模型中，为了简化，作出如下假设：
①不计磁路饱和影响，绕组的电感与电流大小无关
②忽略磁路非线性和磁通边缘效应
③忽略铁芯的磁滞和涡流效应，忽略所有的功率损耗
④半导体开关器件为理想开关，开关动作是瞬时完成的
⑤电机转速恒定
⑥电源电压恒定
(1)绕组电感
当转子转动时，转子的位置角θ不断变化，绕组电感就在最大电感量Lmax和最小电感量Lmin着两个特定电感值之间周期变化。最大电感是指转子磁极与定子磁极轴线相重合时的电感值；最小电感是指转子磁极轴线与定子磁极间中心线相重合时的电感值。电感变化频率与转子极对数成正比，电感变化周期为一个转子极距τr。在线性模型中，绕组相电感随转子位置θ周期性变化如图11所示。
坐标原点θ＝0是位置角参考点，定义为转子凹槽中心与定子磁极轴线重合的位置，此时相电感为最小值Lmin。θ3为转子和定子前极边重合的位置，θ4为转子和定子后极边重合的位置，θ1和θ5为转子后极边和定子前极边重合的位置，θ2为转子前极边和定子后极边重合的位置。电感L(θ)和转子位置角θ的关系，可以用以下函数形式表示。
式中，βs为定子磁极极弧，
(2)绕组磁链
电机第k相电压平衡方程式为
当相绕组电阻压降Rkik与dψk/dt相比很小，根据假设，忽略电阻压降，可以简化为
进一步整理可以得到
当该相主开关器件导通时，uk＝Us(Us为电源电压)，相绕组磁链将以一个恒定斜率Us/ωr随转子位置角的增大而线性增大；当该相主开关器件关断瞬间，即θ＝θoff时，磁链达到最大值，关断后，uk＝-Us，磁链以恒定斜率-Us/ωr随转子位置角的增大而线性减小，如图12所示。用函数形式可以表示
(3)绕组电流
将ψ＝L(θ)i(θ)代入式，可以得到
两边同时乘以绕组相电流i，可以得到功率平衡方程
表明当开关磁阻电机通电时，若不计相绕组的损耗，输入电功率一部分用于增加绕组的储能，一部分转换为机械功率输出。
在电感上升区域θ2≤θ<θ3内绕组通电，旋转电动势为正，产生电动转矩，电源提供的电能一部分转换为机械能输出，一部分以磁能的形式储存在绕组中；通电绕组在θ2≤θ<θ3内断电，储存的磁能一部分转化为机械能，另一部分反馈给电源，此时转轴上仍获得电动转矩；在θ3≤θ<θ4，旋转电动势为零，如果电流继续流动，磁能仅反馈给电源，转轴上没有电磁转矩；若电流在θ4≤θ<θ5内流动，因旋转电动势为负，产生制动转矩，运行在发电状态。
为了得到较大的有效转矩，应在θ1≤θ<θ2内触发导通主开关，在θ2≤θ<θ3内关断主开关，这样可以得到一个电感变化周期内的电流波形，如图13所示。
绕组相电流i(θ)和转子位置角θ的函数关系式为
(4)电磁转矩分析
根据机电关系方程式，有
在线性模型中，根据线性假设，可以对方程进行简化
因此可得
电磁转矩的函数表达式为
电磁转矩随转子位置角变化曲线如图14所示。
3.2准线性模型
准线性模型是将实际的非线性磁化曲线分段线性化，同时不考虑相间耦合效应，近似地考虑了磁路的饱和效应和边缘效应，对于求解开关磁阻电机问题，具有一定的精度和可靠性。由于特殊的双凸极结构及磁路的高度饱和，产生了很强的边缘效应、涡流效应、磁滞效应及饱和效应。在分段线性化的多种方法中，最常用的一种方法是用两段线性特性来近似一系列非线性磁化曲线，其中一段为磁化特性曲线的非饱和段，非饱和曲线斜率为电感L(i,θ)的不饱和值；另一段为磁化特性曲线的饱和段，饱和段曲线与θ＝0位置的特性曲线平行，斜率为Lmin，如图15所示。
基于准线性模型，可以写出绕组电感L(θ)的分段解析式
将ψ(θ)＝L(θ)i代入，可以得到绕组磁链的分段解析式
根据机电关系方程式，可以得到瞬时电磁转矩的分段解析式
3.3非线性模型
要准确计算开关磁阻电机性能，对稳态运行特性进行仿真，必须采用非线性方法。非线性方法大致可以分为两大类。
1、以数值计算方法或实验方法所获得的电机磁化曲线为基础，建立数据库对磁化曲线进行模化，从而计算电机的运行性能。这类方法计算准确，但速度较慢，依赖于特定方案的磁化曲线数据库。
2、第二类是利用电机几个特殊位置的磁化曲线，将电流或磁链作为转子位移角的函数进行模化，查值求取中间位置磁特性。这类方法计算快速，但准确性不够，并且需要引用经验公式，因此限定了其应用范围。
4.有限元仿真校验
利用有限元法对设计出的大转矩低脉动的双定子轴向磁通开关磁阻电机的转矩特性进行仿真校验，得到所述电机的转矩波形如图17所示。
由图17可以看出，所设计出的电机的最小转矩Tmax为1.25N·m，最大转矩Tmin为1.9N·m，平均转矩Tav约为1.55N·m，由(4-1)计算得到的转矩脉动系数kripple仅有0.42。所述电机具有较大的转矩输出能力，且转矩脉动远小于一般结构的开关磁阻电机。

Claims (5)

1.一种大转矩低脉动的双定子轴向磁通开关磁阻电机，其组成包括：两块定子(1，2)、一块转子(3)和电枢绕组(4)，将转子(3)通过键(6)固定安装于转轴(5)上，再将电枢绕组(4)绕制在定子(1，2)的铁心齿上，在电枢绕组(4)绕制完成后将两块定子(1，2)分别安装于转子铁心(2)两侧，并通过轴承(7)安装在转轴(5)上，随后通过电机端盖(8)将轴承(7)的轴向进行固定，其特征在于：转子(3)由三部分组成，包括两块转子铁心(301，302)和一块圆盘形的非导磁材料(303)组成，且两块转子铁心之间的角度差为180°/Nr，其中Nr为转子磁极数。
2.根据权利要求1所述的轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于：所述定子(1，2)采用E型的铁心结构，包括外部环形铁心齿(101，201)、内部环形铁心齿(102，202)、中间铁心齿(103，203)和铁心轭(104，204)。
3.根据权利要求1或2所述的轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于：电枢绕组(4)绕制在E型铁心的中间铁心齿(103，203)上。
4.根据权利要求1或3所述的轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于：绕制在两侧定子(1，2)上相对位置的中间铁心齿(103)和中间铁心齿(203)上的电枢绕组(4)采用互补驱动信号控制方式，即当中间铁心齿(103)上的电枢绕组(4)驱动导通时，中间铁心齿(203)上的电枢绕组(4)驱动关闭；当中间铁心齿(103)上的电枢绕组(4)驱动关断时，中间铁心齿(203)上的电枢绕组(4)驱动导通。
5.根据权利要求1所述的轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于：所述的转子铁心(301)和转子铁心(302)的转子磁极采用扇形极面或矩形极面，分别对应于直极和斜极。
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