CN109510417A - 混合转子大转矩直驱同步电机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
混合转子大转矩直驱同步电机及其控制方法,该同步电机主要由外定子（1）、内定子（2）和转子（3）构成，转子（3）设置在外定子（1）和内定子（2）之间；该方法通过估测混合转子中磁阻转子位置来获得整个转子位置，进而实现无位置传感器控制。所提出的无位置传感器矢量控制方法无需坐标变换，结构简单，克服了传统矢量控制的复杂性和对电机参数依赖性强的问题。
Description
技术领域：
本发明涉及一种混合转子大转矩直驱同步电机及其控制系统。属于电机设计及其控制系统领域。
背景技术：
现代工业中有大量需要低速大转矩传动系统的装备，例如数控机床、重矿机械、石油钻探机械、大型工业传送带和起重类设备等，这类系统是典型的高耗能机电设备，耗电量约占工业总耗电量的10％。目前，我国低速大转矩传动装备大多采用“常规转速电机+减速齿轮机构”的驱动方式，但多出的减速传动环节不仅会使驱动系统体积庞大、维护成本增加、系统可靠性和运行效率降低(整个传动链的效率一般为75％～85％)，而且冗余的齿轮机构也会带来加工制造、运输装配等方面的技术难题，亦会产生润滑油渗漏、噪声污染等问题，因此取消减速齿轮机构的直接驱动方式是未来发展高端机械装备、提高传动系统整体性能的必然选择。
永磁同步电机近年来得到了飞速发展，国内外的研究工作也异常活跃，由于无论作为电动还是发电运行，永磁同步电机与感应电机、电励磁同步电机和开关磁阻电机相比均具有结构简单、无刷可靠、效率和功率因数高、起动转矩大、经济运行范围宽等突出的优良性能，因此在许多领域得到了大规模的推广应用，特别是在低速大转矩直驱系统中应用前景十分广阔。为提高转矩密度，充分利用低速大转矩直驱永磁同步电机较大的内腔空间，降低其成本，研发新型永磁同步电机结构和新型转子结构是重要发展趋势。此外，低速大转矩直驱永磁同步电机常运行于变载、重载等多种复杂工况下，因此寻找一种针对性强、响应速度快、鲁棒性强的调速控制方法对高端装备的性能提升具有十分重要的现实意义。
发明内容
发明目的：本发明提供一种混合转子大转矩直驱同步电机及其控制系统，其目的在于解决传统低速大转矩传动装备中的减速传动环节存在系统可靠性差、运行效率低、成本高等问题。同时本发明采用双定子结构设计，转子为永磁/磁阻混合转子结构，可提高转矩密度，降低电机成本。
技术方案：本发明采用以下技术方案：
混合转子大转矩直驱同步电机，其特征在于：该同步电机主要由外定子(1)、内定子(2) 和转子(3)构成，转子(3)设置在外定子(1)和内定子(2)之间；
转子(3)包括永磁体、磁障式磁阻转子结构(6)和隔磁环(5)；转子(3)外侧为磁障式磁阻转子结构(6)，该磁障式磁阻转子结构(6)由导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)相间排列构成，各磁障通过燕尾槽与隔磁环(5)相连，隔磁环(5)套在内定子(2)外围，各磁障式磁阻转子结构(6)设置在隔磁环(5)外侧壁，各磁障式磁阻转子结构(6)处在外定子 (1)与隔磁环(5)之间；
永磁体(10)表贴在隔磁环(5)内表面上；磁障结构、隔磁环(5)与永磁体(10)共同组成完整的转子结构；
外定子(1)内表面与内定子(2)外表面均匀开槽，外定子(1)与内定子(2)槽内均各自嵌放一套三相对称绕组(这个是所有槽内的绕组整体统称为一套三相对称绕组，实际上一共内外加起来就只有两套绕组。)，内外定子槽内的绕组采用串联或并联方式进行联结，形成该电机的总定子绕组。
磁障式磁阻转子结构(6)中的导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)均采用U形结构(U形结构是根据磁障式磁阻转子的形状命名的)；磁障式磁阻转子结构(6)是由U形的导磁层(6-1) 与非导磁层(6-2)相互交替组成，各导磁层(6-1)之间通过连接筋(6-3)相连，相邻的两层导磁层(6-1)之间形成非导磁层(6-2)。
连接筋(6-3)的宽度只要刚好满足机械强度的条件即可。
各导磁层(6-1)为由中间到两侧宽度逐渐增加的结构。(也就是说宽度由内到外逐渐增加，如图3所示，最内层的宽度窄、然后最内层外层的次内层宽度比最内层宽，然后，次内层外围的再次内层宽度比次内层宽，依次递进，这种结构的作用已在具体实施方式结合图3 进行了说明，其作用如下：磁障中的各导磁层(6-1)宽度不等，按照由两侧到中间厚度依次减小的方式组合，使得磁障两侧导磁层(6-1)流过的磁通多而中间少，更合理的分配了磁通量，更好地限制了磁通路径，减小了气隙磁场中的谐波含量，提高了电机气隙磁场的正弦性，降低了转矩脉动，提高了电机的性能。)
转子(3)内侧的每极永磁体(10)采用多块分块的异向充磁的方式，即将每极永磁体分成多块，每块为一个区域，可形成多个区域，且各区域的充磁方向由两边向中间与竖直方向夹角逐渐减小，中间的竖向箭头方向为转子(3)的径向。(如图4所示)
为使内外定子与新型转子更好地配合，外定子(1)采用分布绕组结构，内定子(2)采用分数槽绕组结构。
应用上述的混合转子大转矩直驱同步电机的无位置传感器控制策略，其特征在于：
本策略通过估测转子(3)中磁障式磁阻转子结构(6)位置来获得整个转子位置，进而实现无位置传感器控制。
首先由转子位置估测模块(18)(转子位置估测模块是在控制器中实现的，并不在电机中) 得到转子位置估测值和转速估测值，将转子位置估测值和转速估测值分别与转子位置给定值和转速给定值进行比较，得到转子位置误差值和转速误差值，转子位置误差值和转速误差值分别通过位置调节器(11)和转速调节器(12)得到转速给定值和转矩给定值，同时由定子电流空间矢量计算模块(19)和转矩计算模块(20)得到电机的实际输出转矩，将计算得到的电机实际输出转矩输入到转矩调节器(13)，将转矩调节器(13)的输出信号作为三相电流参考值计算模块(14)的输入信号，从而得到三相定子电流的给定值，最后通过电流调节器 (15)得到电流可控PWM逆变器(16)的控制信号来控制本发明的新型同步电机。
优点效果：
本发明混合转子大转矩直驱同步电机的转子采用永磁体与磁阻相结合的混合转子结构，转子外侧为导磁层与非导磁层相间的U形磁阻结构，转子内侧表贴分块异向充磁的永磁体。磁阻与永磁体通过隔磁环相连在一起，隔磁环还使得转子内外侧的磁路相互独立。电机采用双定子结构，外定子内表面与内定子外表面均匀开槽，内外定子槽内各有一套三相绕组，且两套绕组采用串联或并联方式联结，形成该种电机的总定子绕组。外定子采用分布绕组结构，内定子采用分数槽结构。
本发明混合转子大转矩直驱同步电机采用无位置传感器矢量控制方法，通过估测混合转子中磁阻转子位置来获得整个转子位置，进而实现无位置传感器控制。由转子位置估测模块得到转子位置估测值和转速估测值，将转子位置估测值和转速估测值分别与转子位置给定值和转速给定值进行比较，得到转子位置误差值和转速误差值，转子位置误差值和转速误差值分别通过位置调节器和转速调节器得到转速给定值和转矩给定值，同时由定子电流空间矢量计算模块和转矩计算模块得到电机的实际输出转矩，将计算得到的电机实际输出转矩输入到转矩调节器，将转矩调节器的输出信号作为三相电流参考值计算模块的输入信号，从而得到三相定子电流的给定值，最后通过电流调节器得到电流可控PWM逆变器的控制信号来控制本发明的新型同步电机。
该种电机采用双定子单转子结构，充分利用低速大转矩直驱同步电机较大的内腔空间，大大提高了电机的转矩密度和材料利用率，并且在同等功率下可大幅度减小电机的体积和重量。在不考虑散热条件变化的前提下，双定子电机的转矩密度与常规单定转子电机相比可提高40％左右；或者说在相同功率下，电机体积可减小30％左右。所提出的新型混合转子双定子低速大转矩直驱同步电机不仅结构可靠、成本低、效率高，而且还具有转矩密度和机械集成度高、电机结构材料利用率高等突出优点。
本发明的新型混合转子在具备永磁辅助磁阻式转子优势的同时，又使得永磁与磁阻结构相对独立，解决了永磁辅助磁阻式转子设计参数多、优化难度大的问题，设计方式更加灵活；大大降低了电机对永磁体需求量和磁性能要求，而且降低了电机成本；电机可同时产生电磁转矩和磁阻转矩，提高了电机的转矩密度，而且两种转矩相互独立，大大增强了控制方式的灵活性，提高了电机的转矩密度、效率、弱磁调速能力和逆变器的利用率。
本发明转子上磁阻部分的导磁层与非导磁层采用U形结构，相当于增加了电机交轴上的气隙，从而提高交轴磁阻，有利于提高电机的磁阻转矩；各磁障结构采用导磁层的厚度按照由中间到两侧逐渐减小的结构，改善了磁障结构对磁场的调制作用，提高了外定子与转子之间气隙磁场的正弦性，降低了谐波含量；转子上的永磁体采用分块异向充磁方式，不仅可以使靠近气隙处的永磁磁场更为集中，电机气隙磁通密度分布更加趋近于正弦，谐波含量少，磁密分布更加均匀，还可以进一步增强电机转子凸极效应，进而提高输出电磁转矩能力和永磁体利用率。内定子与转子内侧表贴式永磁体相匹配，为解决电机转速较低、极对数较多而槽数又有限的矛盾，内定子采用分数槽结构，同时利用分数槽绕组的等效分布作用和对齿谐波反电势的削弱作用，以达到改善电势波形和提高绕组利用率的效果。外定子与转子外侧磁阻结构相匹配，为了减小电机谐波含量、提高磁阻转矩，提高反电势正弦性，外定子采用分布绕组结构。
控制方式采用基于定子电流空间矢量的高响应强鲁棒无位置传感器矢量控制方法，该方法通过估测混合转子中磁阻转子位置来获得整个转子位置，进而实现无位置传感器控制。所提出的无位置传感器矢量控制方法无需坐标变换，结构简单，克服了传统矢量控制的复杂性和对电机参数依赖性强的问题。
附图说明
图1为本发明混合转子大转矩直驱同步电机结构示意图；
图2为本发明混合转子大转矩直驱同步电机的转子结构示意图；
图3为单个磁障示意图；
图4为分块异向充磁排布永磁体示意图；
图5为本发明混合转子大转矩直驱同步电机的无位置传感器矢量控制原理框图。
附图标记说明：
1.外定子；2.内定子；3.永磁/磁阻混合转子；4.外定子槽；5.隔磁环；6.磁障式磁阻转子结构；6-1.导磁层；6-2.非导磁层；6-3.连接筋；7.内定子气隙；8.内定子槽；9.外定子气隙； 10.永磁体；11.位置调节器；12.转速调节器；13.转矩调节器；14.三相电流给定值计算模块； 15.电流调节器；16.电流可控PWM逆变器；17.三相整流器；18.转子位置估测模块；19.定子电流空间矢量计算模块；20.转矩计算模块。
具体实施方式
混合转子大转矩直驱同步电机，其特征在于：该同步电机主要由外定子(1)、内定子(2) 和转子(3)构成，转子(3)设置在外定子(1)和内定子(2)之间；
转子(3)包括永磁体、磁障式磁阻转子结构(6)和隔磁环(5)；转子(3)外侧为磁障式磁阻转子结构(6)，该磁障式磁阻转子结构(6)由导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)相间排列构成，各磁障通过燕尾槽与隔磁环(5)相连，隔磁环(5)套在内定子(2)外围，各磁障式磁阻转子结构(6)设置在隔磁环(5)外侧壁各磁障式磁阻转子结构(6)处在外定子(1) 与隔磁环(5)之间；
永磁体(10)表贴在隔磁环(5)内表面上。磁障结构、隔磁环(5)与永磁体(10)共同组成完整的转子结构；
磁障式磁阻转子结构(6)中的导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)均采用U形结构；
外定子(1)内表面与内定子(2)外表面均匀开槽，外定子(1)与内定子(2)槽内均各自嵌放一套三相对称绕组，内外定子槽内的绕组采用串联或并联方式进行联结，形成该电机的总定子绕组。
磁障式磁阻转子结构(6)是由U形的导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)相互交替组成，各导磁层(6-1)之间通过连接筋(6-3)相连，相邻的两层导磁层(6-1)之间形成非导磁层(6-2)。
连接筋的宽度只要刚好满足机械强度的条件即可。
各导磁层(6-1)为由中间到两侧宽度逐渐增加的结构。
转子(3)内侧为多块分块的异向充磁的永磁体(10)，即将每块永磁体分成多个区域，且各区域的充磁方向由两边向中间与竖直方向夹角逐渐减小，中间的竖向箭头方向为转子(3) 的轴向。(如图4所示！)。
为使内外定子与新型转子更好地配合，外定子(1)采用分布绕组结构，内定子(2)采用分数槽结构。
应用上述的混合转子大转矩直驱同步电机的无位置传感器控制策略，其特征在于：
本策略通过估测转子(3)中磁障式磁阻转子结构(6)位置来获得整个转子位置，进而实现无位置传感器控制。
首先由转子位置估测模块(18)得到转子位置估测值和转速估测值，将转子位置估测值和转速估测值分别与转子位置给定值和转速给定值进行比较，得到转子位置误差值和转速误差值，转子位置误差值和转速误差值分别通过位置调节器(11)和转速调节器(12)得到转速给定值和转矩给定值，同时由定子电流空间矢量计算模块(19)和转矩计算模块(20)得到电机的实际输出转矩，将计算得到的电机实际输出转矩输入到转矩调节器(13)，将转矩调节器(13)的输出信号作为三相电流参考值计算模块(14)的输入信号，从而得到三相定子电流的给定值，最后通过电流调节器(15)得到电流可控PWM逆变器(16)的控制信号来控制本发明的新型同步电机。
结合附图详细说明：
如图1所示，该电机由外定子1、内定子2、永磁/磁阻混合转子3构成。外定子1内表面与内定子2外表面均匀开槽，内外定子槽上各嵌放一套三相绕组，且两套绕组采用串联或并联方式联结，形成该电机的总定子绕组。外定子1与转子外侧磁阻结构相匹配，为了减小电机谐波含量、提高磁阻转矩，提高反电势正弦性，外定子1采用分布绕组结构。内定子2 与转子内侧表贴式永磁体10相匹配，为解决电机转速较低、极对数较多而槽数又有限的矛盾，内定子2采用分数槽结构，同时利用分数槽绕组的等效分布作用和对齿谐波反电势的削弱作用，以达到改善电势波形和提高绕组利用率的效果。
图2为本发明混合转子大转矩直驱同步电机的转子结构示意图，电机转子采用永磁体10 与磁阻相结合的混合结构，转子外侧为导磁层6-1与非导磁层6-2相间的U形磁障结构，各独立的磁障通过燕尾槽与隔磁环5相连。转子内侧为永磁体10，表贴在隔磁环5内表面上。隔磁环5将磁阻与永磁体结合在一起，形成完整的转子结构，且隔磁环5也使得转子内外磁路相互独立。磁阻结构与永磁体相结合的方式，使得转子在具备永磁辅助磁阻式转子优势的同时，又使得永磁与磁阻结构相对独立，解决了永磁辅助磁阻式转子设计参数多、优化难度大的问题，设计方式更加灵活；大大降低了电机对永磁体需求量和磁性能要求，而且降低了电机成本；电机可同时产生电磁转矩和磁阻转矩，提高了电机的转矩密度，而且两种转矩相互独立，大大增强了控制方式的灵活性，提高了电机的转矩密度、效率、弱磁调速能力和逆变器的利用率。
图3为单个磁障结构示意图。磁障结构是由U形的导磁层6-1与非导磁层6-2相互交替组成，各导磁层6-1之间通过连接筋6-3相连，组成统一的整体。在满足机械强度的条件下，连接筋6-3越窄越好，这将更好地限制磁通沿着规定的路径流通，从而提高电机的能量转换效率。除此之外，磁障中的各导磁层宽度不等，按照由两侧到中间厚度依次减小的方式组合，使得磁障两侧导磁层流过的磁通多而中间少，更合理的分配了磁通量，更好地限制了磁通路径，减小了气隙磁场中的谐波含量，提高了电机气隙磁场的正弦性，降低了转矩脉动，提高了电机的性能。
图4为分块异向充磁排布永磁体示意图。同一永磁体分成不同的区域，各区域的充磁方式不同，即各区域的充磁方向采用由两边向中间与竖直方向夹角逐渐减小的方式。这样不仅可以使靠近气隙处的永磁磁场更为集中，电机气隙磁通密度分布更加趋近于正弦，谐波含量少，磁密分布更加均匀，还可以进一步增强电机转子凸极效应，进而提高输出电磁转矩能力和永磁体利用率。除此之外，还可以有效地减少齿槽转矩，抑制转矩脉动。
本发明提出了一种混合转子大转矩直驱同步电机的无位置传感器矢量控制方法，如图5 所示，其特征在于：本发明的新型同步电机的输出转矩是内外定子与转子磁场相互作用结果的叠加，由于磁阻转子同步电机的凸极比较大，易于估测转子位置，因此本发明通过估测混合转子中磁阻转子位置来获得整个转子位置，进而实现无位置传感器控制。本发明的无位置传感器矢量控制方法无需坐标变换，结构简单，克服了传统矢量控制的复杂性和对电机参数依赖性强的问题。
将检测到的定子三相电流值输入到转子位置估测模块18，得到转子位置估测值和转速估测值，由转子位置给定值减去转子位置估测值，得到转子位置误差值，将转子位置误差值输入到位置调节器11，得到转速给定值，由转速给定值减去转速估测值，得到转速误差值，将转速误差值输入到转速调节器12，得到转矩给定值，同时将检测到的定子三相电流值输入到定子电流空间矢量计算模块19得到定子电流空间矢量的幅值和空间电角度，通过转矩计算模块20计算得到电机的实际输出转矩，由转矩给定值减去实际输出转矩，得到电机转矩误差值，将电机转矩误差值输入到转矩调节器13，得到定子电流空间矢量给定值，将定子电流空间矢量给定值和三相电流初始相位输入到三相电流给定值计算模块14，从而得到三相定子电流的给定值，最后由三相定子电流给定值减去定子三相电流检测值，得到三相定子电流误差值，将三相定子电流误差值输入到电流调节器15得到电流可控PWM逆变器16的控制信号来控制本发明的新型同步电机。本发明的无位置传感器矢量控制方法无需坐标变换，结构简单，克服了传统矢量控制的复杂性和对电机参数依赖性强的问题。
Claims (7)
1.混合转子大转矩直驱同步电机，其特征在于：该同步电机主要由外定子(1)、内定子(2)和转子(3)构成，转子(3)设置在外定子(1)和内定子(2)之间；
转子(3)包括永磁体、磁障式磁阻转子结构(6)和隔磁环(5)；转子(3)外侧为磁障式磁阻转子结构(6)，该磁障式磁阻转子结构(6)由导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)相间排列构成，各磁障通过燕尾槽与隔磁环(5)相连，隔磁环(5)套在内定子(2)外围，各磁障式磁阻转子结构(6)设置在隔磁环(5)外侧壁，各磁障式磁阻转子结构(6)处在外定子(1)与隔磁环(5)之间；
永磁体(10)表贴在隔磁环(5)内表面上；磁障结构、隔磁环(5)与永磁体(10)共同组成完整的转子结构；
外定子(1)内表面与内定子(2)外表面均匀开槽，外定子(1)与内定子(2)槽内均各自嵌放一套三相对称绕组，内外定子槽内的绕组采用串联或并联方式进行联结，形成该电机的总定子绕组。
2.根据权利要求1所述的混合转子大转矩直驱同步电机，其特征在于：磁障式磁阻转子结构(6)中的导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)均采用U形结构；磁障式磁阻转子结构(6)是由U形的导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)相互交替组成，各导磁层(6-1)之间通过连接筋(6-3)相连，相邻的两层导磁层(6-1)之间形成非导磁层(6-2)。
3.根据权利要求2所述的混合转子大转矩直驱同步电机，其特征在于：连接筋(6-3)的宽度只要刚好满足机械强度的条件即可。
4.根据权利要求1所述的混合转子大转矩直驱同步电机，其特征在于：各导磁层(6-1)为由中间到两侧宽度逐渐增加的结构。
5.根据权利要求1所述的混合转子大转矩直驱同步电机，其特征在于：转子(3)内侧的每极永磁体(10)采用多块分块的异向充磁的方式，即将每极永磁体分成多块，每块为一个区域，可形成多个区域，且各区域的充磁方向由两边向中间与竖直方向夹角逐渐减小，中间的竖向箭头方向为转子(3)的径向。
6.根据权利要求1所述的混合转子大转矩直驱同步电机，其特征在于：外定子(1)采用分布绕组结构，内定子(2)采用分数槽绕组结构。
7.应用于权利要求1所述的混合转子大转矩直驱同步电机的无位置传感器控制策略，其特征在于：
本策略通过估测转子(3)中磁障式磁阻转子结构(6)位置来获得整个转子位置，进而实现无位置传感器控制。
首先由转子位置估测模块(18)得到转子位置估测值和转速估测值，将转子位置估测值和转速估测值分别与转子位置给定值和转速给定值进行比较，得到转子位置误差值和转速误差值，转子位置误差值和转速误差值分别通过位置调节器(11)和转速调节器(12)得到转速给定值和转矩给定值，同时由定子电流空间矢量计算模块(19)和转矩计算模块(20)得到电机的实际输出转矩，将计算得到的电机实际输出转矩输入到转矩调节器(13)，将转矩调节器(13)的输出信号作为三相电流参考值计算模块(14)的输入信号，从而得到三相定子电流的给定值，最后通过电流调节器(15)得到电流可控PWM逆变器(16)的控制信号来控制本发明的新型同步电机。
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