CN109494890B - 一种基于磁耦合谐振的无芯电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁耦合谐振的无芯电机及其控制方法，无芯电机包括转子和定子，转子和定子之间设有转动位置检测器，转子包括转子基座，转子基座两端分别设有一个串接有转子谐振电容的转子接收线圈，定子包括环形基座，环形基座的内壁上设有多个成对布置的驱动单元，驱动单元包括驱动基座以及相互耦合的并联有源谐振电容的定子激励线圈、串接有发射线圈谐振电容的定子发射线圈，定子发射线圈设于驱动基座的端部；控制方法包括利用磁耦合谐振驱动转子转动。本发明省略了定子上和转子上的铁基材料或永磁材料，大大减轻了电机的重量和定子和转子上的铁芯损耗，节约了成本且提高了效率，在拥有大转矩的同时也可以拥有高转速。

Description

一种基于磁耦合谐振的无芯电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及电气工程电机，具体涉及一种基于磁耦合谐振的无芯电机及其控制方法，涉及的基于磁耦合谐振原理的无铁芯电机。

背景技术

随着经济的快速发展，我国资源损耗严重以及环境污染严重，因此政府大力提倡新能源，新能源汽车是其中必不可少的一部分，而新能源汽车中的电动机是它的核心部分。大多数常规电动机的定子和转子都包含了铁磁材料或者永磁材料。这些材料的重量都比较重，而且现在的锂电池技术到了瓶颈时期，所以现在新能源汽车的续航都不是很长。因此如何减轻电机的重量而又不减少电机的输出功率，成为亟待解决的问题。顺应新能源汽车发展的需求，无芯电机应运而生。传统的无芯电机具有没有任何铁芯构造的转子，但定子需要由高重量和价格昂贵的高磁通永磁材料构成。在没有铁芯的另一侧，转子线圈的磁阻将大于常规电动机，这将减小转子的感应场，并且因此减小由电动机产生的转矩。

综上所述，由于现有电机中，有芯电机必须要依靠铁芯来传导转子和定子之间的磁通，因此它的重量就会较大，而且还会因为涡流效应产生铁芯损耗和铁芯发热。而一般的无芯电机由于没有铁芯来传导磁通，所以它的定子必须具有很强的磁势，一般是由强磁性稀土永磁材料构成，成本非常高。而且无芯电机的线圈和碳刷易损坏，维修困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于磁耦合谐振的无芯电机及其控制方法，本发明基于磁耦合谐振的无芯电机以定子和转子线圈磁耦合谐振来代替铁芯传导磁通、从而省略了铁芯，减轻了重量，提高了电机效率，成本显著减少的同时提供高扭矩，解决了三相异步电机极对数越少转速越高，极对数越多扭矩越大的问题，实现了扭矩和转速同步。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于磁耦合谐振的无芯电机，包括转子和定子，所述转子和定子之间设有转动位置检测器，所述转子包括转子基座，所述转子基座两端分别设有一个串接有转子谐振电容的转子接收线圈，所述定子包括环形基座，所述环形基座的内壁上设有多个成对布置的驱动单元，所述驱动单元包括驱动基座，所述驱动基座上分别设有相互耦合的并联有源谐振电容的定子激励线圈、串接有发射线圈谐振电容的定子发射线圈，所述定子发射线圈设于驱动基座的端部，所述定子激励线圈包括用于和外部高频交流激励源相连的激励输入端子；所述基于磁耦合谐振的无芯电机的控制方法包括：通过转动位置检测器实时检测转子的转动位置，当转子转动到正对某一对驱动单元时，切断转子正对的该对驱动单元的高频交流激励源、使得该对驱动单元和转子失谐，转子由于惯性继续传动；当转子转动到下一对驱动单元附近时，对转子即将靠近的该对驱动单元施加高频交流激励源、使得该对驱动单元和转子发生磁耦合谐振产生电磁转矩驱动转子继续旋转。

所述转子基座采用轻质不导磁材料制成。

所述驱动基座采用轻质不导磁材料制成。

所述转动位置检测器为增量式光电编码器或者霍尔传感器。

所述激励输入端子连接有高频交流激励源。

所述高频交流激励源包括微处理器和桥式逆变器，所述微处理器输出SPWM信号驱动桥式逆变器产生高频交流激励信号作为激励输入端子的输入。

所述高频交流激励信号的频率等于转子接收线圈、定子激励线圈、定子发射线圈所构成谐振电路的固有谐振频率。

所述转子接收线圈、定子激励线圈、定子发射线圈所构成谐振电路的固有谐振频率的计算函数式如式(1)所示；

式(1)中，f为转子接收线圈、或定子激励线圈的固有谐振频率，L为转子接收线圈、或定子激励线圈的电感量，C为转子接收线圈串联的转子谐振电容的电容量、或定子激励线圈并联的源谐振电容的电容量。

本发明提供一种前述的基于磁耦合谐振的无芯电机的控制方法，实施步骤包括：通过转动位置检测器实时检测转子的转动位置，当转子转动到正对某一对驱动单元时，切断转子正对的该对驱动单元的高频交流激励源、使得该对驱动单元和转子失谐，转子由于惯性继续传动；当转子转动到下一对驱动单元附近时，对转子即将靠近的该对驱动单元施加高频交流激励源、使得该对驱动单元和转子发生磁耦合谐振产生电磁转矩驱动转子继续旋转。

所述转子的转动方向为顺时针方向或者逆时针方向。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明利用定子激励线圈、定子发射线圈之间的磁耦合谐振来代替碳刷，利用定子发射线圈和转子接收线圈之间的磁耦合谐振来代替铁芯传导磁通，减轻了电机重量，减少了铁芯损耗，大大提高了电机的工作效率。

2、本发明基于磁耦合谐振的无芯电机以定子和转子线圈磁耦合谐振来代替铁芯传导磁通、从而省略了铁芯，没有涡流效应，电机高速运行时，温度上升不大。

3、本发明定子的环形基座的内壁上设有多个成对布置的驱动单元，使用多个齿对，多个相位，采用多相的旋转磁场，解决了三相异步电机极对数越少转速越高，极对数越少扭矩越大的问题，实现了扭矩和转速同步。

4、本发明结构精简，运行平稳，精准可靠，能广泛地应用于新能源汽车行业，提高新能源汽车的效率。

附图说明

图1为本实施例中无芯电机的结构示意图。

图2为本实施例中磁耦合谐振无线电能传输的基本原理图。

图3为本实施例中谐振耦合线圈的电磁关系和转子受力关系图。

图4为本实施例中磁耦合谐振无芯电机转子正对A-Aˊ齿对图。

图5为本实施例中磁耦合谐振无芯电机转子在C-Cˊ齿对附近图。

图6为本实施例中磁耦合谐振无芯电机转子正对C-Cˊ齿对图。

图7为本实施例中磁耦合谐振无芯电机转子在B-Bˊ齿对附近图。

图8为本实施例中磁耦合谐振无芯电机转子正对B-Bˊ齿对图。

图例说明：1、转子；11、转子基座；12、转子接收线圈；121、转子谐振电容；2、定子；21、环形基座；22、驱动单元；221、驱动基座；222、定子激励线圈；223、定子发射线圈；224、源谐振电容；225、发射线圈谐振电容；3、转动位置检测器；4、高频交流激励源。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于磁耦合谐振的无芯电机包括转子1和定子2，转子1和定子2之间设有转动位置检测器3，转子1包括转子基座11，转子基座11两端分别设有一个串接有转子谐振电容121的转子接收线圈12，定子2包括环形基座21，环形基座21的内壁上设有六个成对布置的驱动单元22，驱动单元22包括驱动基座221，驱动基座221上分别设有相互耦合的并联有源谐振电容224的定子激励线圈222、串接有发射线圈谐振电容225的定子发射线圈223，定子发射线圈223设于驱动基座221的端部，定子激励线圈222包括用于和外部高频交流激励源相连的激励输入端子。此外，也可以根据需要在环形基座21的内壁上设有更多或者更少成对布置的驱动单元22。

本实施例中，转子基座11采用轻质不导磁材料制成，转子基座11具体采用塑料制成，且采用长方体状。

本实施例中，驱动基座221采用轻质不导磁材料制成。

本实施例中，转动位置检测器3为增量式光电编码器或者霍尔传感器，本实施例中转动位置检测器3具体采用增量式光电编码器，且将增量式光电编码器的输出接入到型号为TMS320F28335的DSP芯片作为位置反馈。而增量式光电编码器主要有光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。将光电码盘与电动机同轴连接，电动机旋转带动光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管及光感器件等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过累计光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的位置增量。同时，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的两路正交脉冲信号，当电机顺时针转动时，A相脉冲超前于B相脉冲90度；逆时针转动时，B相超前A相90度。而DSP芯片通过统计和计算来得出当前转子的位置和旋转方向。由于增量式光电编码器为现有器件，故不再详述。

本实施例中，激励输入端子连接有高频交流激励源4。

本实施例中，高频交流激励源4包括微处理器和桥式逆变器，微处理器输出SPWM信号驱动桥式逆变器产生高频交流激励信号作为激励输入端子的输入，微处理器具体采用前文提及的TMS320F28335的DSP芯片，高频交流激励源4可以根据需要采用直流电源或工频交流电源两种方式，输入直流电源时，DSP芯片输出SPWM信号驱动桥式逆变器的MOS管对直流电源进行高频逆变，在经过电感、电容滤波输出至定子激励线圈222；输入工频交流电源时，通过4个二极管整流桥对电源整流，然后经电容平波后再通过桥式逆变器进行高频逆变、滤波输出高频交流电到定子激励线圈222。

本实施例中，高频交流激励信号的频率等于转子接收线圈12、定子激励线圈222、定子发射线圈223所构成谐振电路的固有谐振频率，当高频交流激励信号加到定子激励线圈222上时，由于转子接收线圈12、定子激励线圈222、定子发射线圈223所构成谐振电路的固有谐振频率等于高频交流激励信号的频率，所以转子接收线圈12、定子激励线圈222、定子发射线圈223都会发生谐振，而它们的谐振频率又都一样，即转子接收线圈12、定子激励线圈222、定子发射线圈223之间发生磁耦合谐振。此时转子1可以高效的吸收定子2传来的大部分能量，而且两者之间的磁通量最大；根据最小磁阻原理-磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合的，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩，从而驱动转子1旋转，电机就开始运行。

本实施例中，转子接收线圈12、定子激励线圈222、定子发射线圈223所构成谐振电路的固有谐振频率的计算函数式如式(1)所示；

式(1)中，f为转子接收线圈12、或定子激励线圈222的固有谐振频率，L为转子接收线圈12、或定子激励线圈222的电感量，C为转子接收线圈12、或定子激励线圈222串联电容的电容量。

本实施例提供一种前述的基于磁耦合谐振的无芯电机的控制方法，实施步骤包括：通过转动位置检测器3实时检测转子1的转动位置，当转子1转动到正对某一对驱动单元22时，切断转子1正对的该对驱动单元22的高频交流激励源、使得该对驱动单元22和转子1失谐，转子1由于惯性继续传动；当转子1转动到下一对驱动单元22附近时，对转子1即将靠近的该对驱动单元22施加高频交流激励源、使得该对驱动单元22和转子1发生磁耦合谐振产生电磁转矩驱动转子1继续旋转。

其中，转子1的转动方向为顺时针方向或者逆时针方向。

当转子1处于图1位置时，若想让电机逆时针旋转，则通过转动位置检测器3检测转子1当前的位置，并发射位置信息给主控芯片，主控芯片得到转子1的位置信息，然后给一对驱动单元22(驱动单元A-A’)提供高频交流激励源，使驱动单元A-A^的定子发射线圈223和转子1的转子接收线圈12磁耦合谐振，这时转子1和定子2间的磁通量最大、磁阻最小。根据最小磁阻定理，会产生电磁转矩驱动转子1逆时针旋转。

磁耦合谐振的基本原理电路模型如图2所示，它是由电磁发射系统和电磁接收系统两部分构成。驱动源线圈A和发射振荡器线圈B为电路模型的电磁发射部分，而接收振荡器线圈C和负载线圈D则构成了电路模型的电磁接收部分。驱动源线圈A即为激励源线圈222，发射振荡器线圈B即为定子发射线圈223。而接收振荡器线圈C和负载线圈D在本电机结构中合并成为转子接收线圈12(本电机的转子接收线圈12没有直接负载，能量用于产生磁场，故线圈C与D可以合并成一个转子接收线圈12)。它的工作机理是：首先励磁线圈与发射线圈之间通过电磁感应的方式进行电能传递，然后整个电磁发射系统所发出的电能磁耦合谐振进行能量传递到接收线圈，最后负载线圈通过电磁感应的方式得到感应电动势，从而完成电能和磁能的传递。通过设计定子和转子线圈使得定子线圈电感和转子线圈电感的电感量都为L，损耗电阻都为R，并且串联的电容大小都为C。则当X_C＝X_L时，即ωL＝1/(ωC)，这时转子接收线圈12、定子激励线圈222、定子发射线圈223所构成谐振电路的固有谐振频率f即为：

式(1)中，f为转子接收线圈12、或定子激励线圈222的固有谐振频率，L为转子接收线圈12、或定子激励线圈222的电感量，C为转子接收线圈12串联的转子谐振电容121的电容量、或定子激励线圈222并联的源谐振电容224的电容量。

本实施例电机的工作原理与开关磁阻电机的原理类似，都是利用两个磁体间总是向磁路最短、磁阻最小的状态运动的原理驱动电机运转。与普通磁阻电机不同的是，转子的磁场是在定子侧的高频交流激励电源提供谐振频率f的高频交流激励源，定子线圈和转子线圈就会发生磁耦合谐振时，能量传输到转子接收线圈上而建立起来的。此时谐振耦合线圈的电磁关系和转子受力关系如图3所示。

设图3中高频交流激励源4所接电路上箭头所示电流方向为正方向，则当交流源处于正半周时，定子激励线圈222上所产生的激励磁场的方向为自上而下，即上为南极S，下为北极N。在激励磁场的作用下，定子发射线圈223进入到谐振状态，感应出很大的感应电流。定子发射线圈223产生的感应磁场方向与激励磁场相同，相当于大幅增大了感应磁场的强度(类似于铁芯的作用)。而感应磁场的磁力线进入到位于转子1上的转子接收线圈12时，在转子接收线圈12内也感应出电动势，且该电动势也让转子接收线圈12进入到谐振状态。从而在转子接收线圈12中感应出很大的电流，以及较大的感应磁场(亦相当于铁芯)，且其感应的磁场方向也为自上而下，即上为南极S，下为北极N。

从图3中可见，定子2的绕组(定子激励线圈222、定子发射线圈223)上磁场的北极与转子1的绕组(转子接收线圈12)上磁场的南极相互吸引，产生了磁拉力F，而其切向分量F_t将拉动转子往左边移动。若F与转子切向夹角为θ，可知F_t＝F×cosθ。可知，如果定子2的绕组(定子激励线圈222、定子发射线圈223)上磁场的北极与转子1的绕组(转子接收线圈12)轴向重合时，夹角θ则为90°，切向分量F_t将等于零。同样，当高频交流激励源4处于负半周时，所有的电磁量都将反向。但定子2与转子1之间的气隙处，二者之间仍然还是一个为南极S，另一个为北极N的异性相吸的关系。故可知磁拉力F以及切向分量F_t的方向保持不变。所以在高频交流激励源4的作用下，定子2的绕组(定子激励线圈222、定子发射线圈223)上磁场的北极与转子1的绕组(转子接收线圈12)之间将产生同一方向的磁拉力，带动转子朝着磁路最短，磁阻最小的方向转动(即逆时针转动)。

如图4～图8所示，为了进一步说明转子1的转动，将六个驱动单元22(三对驱动单元22)分别记为A-Aˊ齿对、B-Bˊ齿对、C-Cˊ齿对。

如图4所示，当转子1转到正对着A-Aˊ齿对时，控制器切断对A-Aˊ齿对的定子激励线圈222的激励源，使A-Aˊ齿对和转子1的转子接收线圈12失谐，转子1由于惯性将继续向逆时针转动。

如图5所示，当转子转到C-Cˊ齿对附近时，位置检测器将此时转子的位置信息传给主控芯片，主控芯片控制电子开关器件对C-Cˊ齿对的定子激励线圈222施加高频交流激励源。从而齿对C-Cˊ齿对和转子1的转子接收线圈12磁耦合谐振，同样根据最小磁阻定理，会产生电磁转矩驱动转子1继续逆时针旋转。

如图6所示，同样的原理，当转子1转到正对C-Cˊ齿对时，切断激励源使转子1由于惯性继续逆时针旋转。

如图7所示，当转子1转到B-Bˊ齿对附近时，再给B-Bˊ齿对的定子激励线圈222施加高频交流激励源，使其继续逆时针旋转到图8转子正对B-Bˊ齿对的位置，切断激励源，使转子1由于惯性重新转到图1所示的A-Aˊ齿对附近。

周而复始，根据转子1的位置关系依次给定子2的定子激励线圈222施加激励源，就可以驱动电机旋转起来。毫无疑问，想让电机反转也就是顺时针旋转时，依次给B-Bˊ齿对、C-Cˊ齿对、A-Aˊ齿对的定子激励线圈222施加激励源，使其依次发生磁耦合谐振，也就驱动电机顺时针旋转，在此不再详述。

综上所述，本实施例基于磁耦合谐振的无芯电机充分利用转子1和定子2的磁耦合谐振，使转子1和定子2之间的磁通量变大、磁阻变小并以此来驱动电机转动，通过对某一对驱动单元22施加特定频率的电流，使其与转子1的转子接收线圈12发生磁耦合谐振。由于发生耦合谐振时，转子1和这对转子接收线圈12之间的磁阻最小，而根据磁阻最小原理即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力，进而驱动电机转动。在驱动电机转动时，电机里的转动位置检测器3会检测转子1相对定子2的位置关系，并提供位置关系给控制器，然后控制器根据定、转子位置关系来给离转子最近的那对定子施加电流，使其驱动单元22与转子接收线圈12产生磁耦合谐振驱动电机转动。充分利用两对线圈的磁耦合谐振，磁通量最大，磁阻最小，以此来替代常规电机中定子和转子铁芯。本实施例基于磁耦合谐振的无芯电机减轻了电机本身的重量和铁芯损耗，提高了电机的运行效率，解决了三相异步电机极对数越少转速越高，极对数越多扭矩越大的问题，实现了扭矩和转速同步。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于磁耦合谐振的无芯电机，包括转子(1)和定子(2)，所述转子(1)和定子(2)之间设有转动位置检测器(3)，其特征在于：所述转子(1)包括转子基座(11)，所述转子基座(11)两端分别设有一个串接有转子谐振电容(121)的转子接收线圈(12)，所述定子(2)包括环形基座(21)，所述环形基座(21)的内壁上设有多个成对布置的驱动单元(22)，所述驱动单元(22)包括驱动基座(221)，所述驱动基座(221)上分别设有相互耦合的并联有源谐振电容(224)的定子激励线圈(222)、串接有发射线圈谐振电容(225)的定子发射线圈(223)，所述定子发射线圈(223)设于驱动基座(221)的端部，所述定子激励线圈(222)包括用于和外部高频交流激励源相连的激励输入端子；所述无芯电机的控制方法包括：通过转动位置检测器(3)实时检测转子(1)的转动位置，当转子(1)转动到正对某一对驱动单元(22)时，切断转子(1)正对的该对驱动单元(22)的高频交流激励源、使得该对驱动单元(22)和转子(1)失谐，转子(1)由于惯性继续传动；当转子(1)转动到下一对驱动单元(22)附近时，对转子(1)即将靠近的该对驱动单元(22)施加高频交流激励源、使得该对驱动单元(22)和转子(1)发生磁耦合谐振产生电磁转矩驱动转子(1)继续旋转。

2.根据权利要求1所述的基于磁耦合谐振的无芯电机，其特征在于：所述转子基座(11)采用轻质不导磁材料制成。

3.根据权利要求1所述的基于磁耦合谐振的无芯电机，其特征在于：所述驱动基座(221)采用轻质不导磁材料制成。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于磁耦合谐振的无芯电机，其特征在于：所述转动位置检测器(3)为增量式光电编码器或者霍尔传感器。

5.根据权利要求4所述的基于磁耦合谐振的无芯电机，其特征在于：所述激励输入端子连接有高频交流激励源(4)。

6.根据权利要求5所述的基于磁耦合谐振的无芯电机，其特征在于：所述高频交流激励源(4)包括微处理器和桥式逆变器，所述微处理器输出SPWM信号驱动桥式逆变器产生高频交流激励信号作为激励输入端子的输入。

7.根据权利要求6所述的基于磁耦合谐振的无芯电机，其特征在于：所述高频交流激励信号的频率等于转子接收线圈(12)、定子激励线圈(222)、定子发射线圈(223)所构成谐振电路的固有谐振频率。

8.根据权利要求7所述的基于磁耦合谐振的无芯电机，其特征在于：所述转子接收线圈(12)、定子激励线圈(222)、定子发射线圈(223)所构成谐振电路的固有谐振频率的计算函数式如式(1)所示；

式(1)中，f为转子接收线圈(12)、或定子激励线圈(222)的固有谐振频率，L为转子接收线圈(12)、或定子激励线圈(222)的电感量，C为转子接收线圈(12)串联的转子谐振电容(121)的电容量、或定子激励线圈(222)并联的源谐振电容(224)的电容量。

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