CN109687673A - 一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机，包括定子、转子和转轴，定子内圈周向间隔均匀分布有电枢齿和容错齿，电枢齿上绕有电枢绕组，两相邻的电枢绕组之间由容错齿进行隔离，电枢齿的齿宽大于所述容错齿的齿宽，且电枢齿和容错齿的齿顶修平；沿转子的圆周方向间隔均匀布置永磁体和铁心极，永磁体采用V型放置组成永磁体对，V型开口朝向气隙；永磁体对中间的铁心极为第二铁心极，相邻永磁体对之间的铁心极为第一铁心极，第一铁心极与第二铁心极的边缘均为圆弧面；圆弧面与定子齿之间形成空气磁障，能够实现五相永磁容错电机无位置传感器控制的零低速运行，在改善电机基本性能的同时进一步提高电机驱动系统的可靠性和容错性能。

Description

一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机
技术领域
本发明属于电机技术领域，尤其涉及一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机。
背景技术
五相永磁容错电机具有高效率、高功率密度、宽调速范围、低转矩脉动和强容错能力等优点，在电动汽车等领域得到广泛关注。电机驱动系统除电机本体外，控制器和传感器也是重要组成部分，每一部分的故障都将影响电机系统的正常工作，甚至导致整个系统的瘫痪和安全事故的发生。电机驱动系统中的位置传感器也是易于发生故障的部件，机械传感器的使用降低了整车系统的可靠性和鲁棒性。位置传感器代偿技术利用电机电压、电流等信号有效估算出电机位置信息，无需位置传感器，能够解决传统机械传感器给系统带来的问题，成为了电机控制领域的研究热点。永磁电机的零低速运行一直是无位置传感器技术中面临主要问题，高频信号注入法非常适用于基于无位置传感器控制的永磁电机的零低速运行。高频注入一般分为旋转高频注入法和脉振高频注入法，其中，旋转高频注入法适用于凸极率明显的永磁电机，而脉振高频注入法适用于凸极率不明显的永磁电机。
五相永磁容错电机的绕组形式为分数槽集中绕组，直轴磁路大大减少，使其凸极率大大降低，因此五相永磁容错电机的凸极率一般不明显。并且，五相永磁容错电机由于其自身特性，其三次谐波空间交直轴电感接近相等。而脉振高频注入法是利用电机的饱和凸极效应估算转子位置，因此，在基波交直轴空间注入高频信号会对三次谐波空间产生影响，或者在三次谐波交直轴空间注入高频信号也会对基波空间产生影响，均会造成转子位置估算精度下降。因此，为提高五相电机零低速无位置传感器控制的位置估算精度，需要提高其凸极率，即基波空间交直轴电感不等，而三次谐波空间交直轴电感相等。
现有技术中提出基于位置自检测的混合励磁容错电机系统通过沿着q轴磁路方向设置多个隔磁层，大大降低了电机的功率密度；并且，转子永磁体设置“V”型，对于多相电机，极对数相对较多，转子设置隔磁层的空间相对较小。此外，五相永磁容错电机的交、直轴电枢反应磁路饱和现象严重，给提高电机的凸极率带来了更大的挑战。
发明内容
本发明根据现有技术中存在的问题，提出了一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机，能够实现五相永磁容错电机无位置传感器控制的零低速运行，在改善电机基本性能的同时进一步提高电机驱动系统的可靠性和容错性能。
本发明所采用的技术方案如下：
一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机，包括定子、转子和转轴，所述定子内圈周向间隔均匀分布有电枢齿和容错齿，所述电枢齿上绕有电枢绕组，两相邻的电枢绕组之间由容错齿进行隔离，所述电枢齿的齿宽大于所述容错齿的齿宽，且电枢齿和容错齿的齿顶修平；沿转子的圆周方向间隔均匀布置永磁体和铁心极，所述永磁体采用V型放置组成永磁体对，V型开口朝向气隙；所述永磁体对中间的铁心极为第二铁心极，相邻永磁体对之间的铁心极为第一铁心极，第一铁心极与第二铁心极的边缘均为圆弧面；所述圆弧面与定子齿之间形成空气磁障。
进一步，所述第一铁心极与第二铁心极的圆弧面数量之和为ps；
进一步，所述转子极数为ps、所述永磁体极对数为pm、所述第一铁心极极对数为pf，三者之间满足关系：pm+pf＝ps；
进一步，所述每个相邻第一铁心极与第二铁心极对应的圆弧度之和等于2π/pm；
进一步，所述第二铁心极圆弧面的圆心与转轴圆心之间的距离为h，所述第二铁心极圆弧面的半径为R1，所述转子的半径为Rr，三者之间满足关系：h+R1＝Rr；
进一步，所述永磁体采用钕铁硼永磁磁钢；
进一步，所述电枢绕组为单层集中绕组；
本发明的有益效果：
在本发明中转子内永磁体采用N-N型交替极结构，利用铁心极代替部分永磁体，减少了永磁体用量，提高永磁体的利用率，节约成本，同时给转子部分设置空气磁障提供了更多的空间；
在转子q轴方向设置空气磁障，增加沿q轴方向的有效气隙，减小q轴电感，使得q轴电感小于d轴电感，提高电机的反凸极率，有利于五相永磁容错电机零低速无位置传感器控制，降低电机驱动系统的转矩脉动，进一步提高了电机驱动系统的容错能力与控制性能；
将定子齿顶修形呈平面状，降低磁路交叉耦合，有助于进一步提高五相永磁容错电机的反凸极率，同时还有助于提高电机气隙磁密的正弦度和降低电机齿槽转矩；
利用空气磁障和修平的定子齿顶提高电机的反凸极率，电机高速运行时所需的弱磁直轴电流较小，可降低永磁体不可逆退磁的风险，有利于五相永磁容错电机的高速弱磁运行；
定子上的电枢绕组为集中式绕组，采用隔齿绕的方式，具有绕组端部短，节约铜的用量，铜耗小，效率高，同时实现了电机相与相之间的隔离，使得电机具有较强的绕组故障容错能力，并且电枢齿宽大于容错齿宽，可有效提高输出转矩；
从电机设计的角度，综合考虑提高电机驱动系统的基本性能和容错性能，其中，基本性能包括电机效率、反电势、齿槽转矩和转矩脉动，容错性能包括电机绕组故障容错、永磁体退磁故障和位置传感器故障，全面实现电机系统的高性能、高可靠和强容错的运行
附图说明
图1为本发明电机结构示意图；
图2为传统五相永磁容错电机结构示意图；
图3为本发明局部放大图；
图4为传统五相永磁容错电机局部放大图；
图5为本发明气隙径向磁密波形；
图6为本发明的转子局部放大图；
图7为传统五相永磁容错电机的转子局部放大图；
图8为基于高频注入法的传统五相永磁容错电机无位置传感器控制系统示意图；
图9为基于基波交直轴空间高频注入法的本发明电机无位置传感器控制系统示意图；
图10为基于三次谐波交直轴空间高频注入法的本发明电机无位置传感器控制系统示意图；
图11为本发明空载反电势波形；
图中：1、定子，2、转子，3、转轴，4、电枢齿，5、容错齿，6、电枢绕组，7、齿顶，8、永磁体，9、第一铁心极，10、第二铁心极，11、空气磁障。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明所提出的一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机，包括定子1、转子2和转轴3，转子2与转轴3同轴设置，且定子1同轴空套在转子2外部，电枢齿4和容错齿5沿定子1内圈周向间隔均匀分布，电枢齿4上绕有电枢绕组6，为单层集中绕组，两相邻的单层集中绕组之间由容错齿5进行隔离，在提供磁通回路的同时起到相间隔离的作用，具有较高的可靠性和容错运行能力。并且，电枢齿4的齿宽和容错齿5的齿宽不相等，电枢齿宽大于容错齿宽，可增大电机的有效槽面积，有效提高输出转矩。
如图3所示，本发明的电枢齿(4)和容错齿(5)进行修平，使得电枢齿4和容错齿5的内表面呈平面状。如图2、4所示，传统五相永磁容错电机由于定子齿顶呈弧面状，定子1与转子2之间的气隙均匀，使得定子1齿部的磁密饱和程度较高，会使气隙主磁场分布波呈现平顶形状，而本发明的定子1齿顶呈平面状，定子1与转子2之间的气隙不均匀，如图5所示，本发明可有效降低定子1齿部的磁密饱和程度，使得气隙主磁场分布波形不再呈平顶形，有效提高气隙磁场的正弦度。
如图6所示，永磁体8和第一铁心极9沿转子2的圆周均匀布置。每对永磁体8都由两块矩形的钕铁硼永磁磁钢采用V型放置组成，V型开口朝向气隙，每对永磁体8均为背向圆心切向充磁；永磁体(8)对中间的铁心极为第二铁心极(10)，相邻永磁体(8)对之间的铁心极为第一铁心极(9)，形成N-N型交替极结构，第一铁心极(9)与第二铁心极(10)的边缘均为圆弧面；圆弧面与定子齿之间形成空气磁障(11)。
如图7所示，传统五相永磁容错电机的相邻永磁体8交替切向充磁，每对上的永磁体8充磁方向相反。如图6，本发明利用铁心高导磁率能够汇聚永磁体产生的磁力线构成磁极，能够代替传统五相永磁容错电机中部分永磁体，转子2极数为ps、永磁体8极对数为pm、第一铁心极9极对数为pf，三者之间满足关系：pm+pf＝ps。第二铁心极10对应的圆弧度由每对V型永磁体8的夹角决定，每个相邻第一铁心极9与第二铁心极10对应的圆弧度之和等于2π/pm；本发明中，永磁体8与第一铁心极9交替分布，使得气隙径向磁密波形不存在“零区”，如图5所示，从而具有更高的基波幅值，提高永磁体的利用率。此外，相对于传统五相永磁容错电机中永磁体呈“V”型非交替极结构，本发明给转子部分设置空气磁障11提供了更多的空间。
如图6所示，第一铁心极9以及第二铁心极10的中心线o1d即电机的直轴d轴，其中，o1为定子1的圆心。第一铁心极9以及第二铁心极10的交界线o1q即电机的交轴q轴。电机的圆心即定子1圆心、转轴3的圆心为o1，第二铁心极10圆弧面的圆心为o2，o2位于电机d轴上，转轴圆心o1与第二铁心极10圆弧面的圆心o2之间的距离为转子的离心高度h，第二铁心极10圆弧面半径为R1，转子半径为Rr，则满足h+R1＝Rr。
参见图7，传统五相永磁容错电机转子2外圆弧的圆心与定子1的圆心以及转轴3的圆心相同，故转子外表面为一个圆面，而本发明电机的转子2外表面为ps个圆弧面组合而成。参见图1，随着离心高度h的增大，本发明电机的交轴q轴对应的空气磁障11将相应增加。因此，在电机直轴d轴处气隙最小，相应的气隙磁阻最小；在电机的交轴q轴处气隙最大，相应的气隙磁阻最大。所以，增加离心高度h，可增加沿q轴方向的有效气隙，减小q轴电感，以实现d轴电感大于q轴电感。同时，由于定子齿顶7呈平面状能够有效降低定子1齿部的磁密饱和程度，故可减少定子1极靴之间的漏磁，从而降低磁路交叉耦合，有助于加强设置空气磁障11提高五相永磁容错电机反凸极率的效果，即定子1的齿顶7与空气磁障11共同作用使得五相永磁容错电机具有明显的凸极特性。
为了更清楚的说明本发明的技术效果，以下结合三种具体的控制系统进行解释：
传统五相永磁容错电机凸极率不明显，即基波交直轴电感接近相等，三次谐波交直轴电感接近相等。因此，对于传统五相永磁容错电机零低速无位置传感器控制，采用基于电机饱和凸极效应估算转子2位置的脉振高频注入法较为合适。基于高频注入法的传统五相永磁容错电机无位置传感器控制系统如图8所示，在电机基波交直轴空间注入脉振高频信号。由于脉振高频注入法是利用电机饱和凸极效应来估算转子2位置，而传统五相永磁容错电机基波交直轴电感接近相等，三次谐波交直轴电感也接近相等，因此，在基波交直轴空间注入脉振高频信号势必会对三次谐波空间产生影响，造成转子2位置估算精度下降，同时增加转矩脉动。而本发明利用修形的定子1齿顶7与空气磁障11，使得电机具有明显的凸极特性，即基波交直轴电感相差较大，三次谐波交直轴电感接近相等，故对于本发明零低速无位置传感器控制，可采用在基波交直轴空间注入旋转高频信号方式或在三次谐波交直轴空间注入脉振高频信号方式。参见图9，在本发明电机基波交直轴空间注入旋转高频信号，由于本发明电机基波交直轴电感相差较大而三次谐波交直轴电感接近相等，因此在基波交直轴空间注入旋转高频信号不会对三次谐波空间产生影响。参见图10，在本发明电机三次谐波交直轴空间注入脉振高频信号，由于本发明电机三次谐波交直轴电感接近相等而基波交直轴电感相差较大，因此在三次谐波交直轴空间注入脉振高频信号不会对基波空间产生影响。所以，本发明针对传统五相永磁容错电机零低速无位置传感器控制存在的转子位置估算精度低、系统转矩脉动大等问题，在电机设计时考虑电机驱动系统位置传感器代偿的零低速有效运行，使得电机自身具有明显的凸极率，同时驱动控制上采用在基波交直轴空间注入旋转高频信号方式和在三次谐波交直轴空间注入脉振高频信号方式，综合实现了五相永磁容错电机系统无位置传感器控制零低速的有效运行，进一步提高了电机驱动系统的可靠性和容错能力。
综上所述，本发明转子2结构设计，并且将定子1齿顶7修形呈平面状，使得气隙磁阻越小的地方所通过的磁力线越多，气隙磁阻越大的地方所通过的磁力线越少，故而有利于优化沿电机转子2周向的气隙长度，提高气隙磁密的正弦度(如图5)和反电势的正弦度(如图11)，从而有利于相应的驱动控制，同时可降低电机的齿槽转矩。此外，由于本发明电机d轴电感大于q轴电感，高速运行时所需的弱磁直轴电流较小，故而可降低永磁体8不可逆退磁的风险，有利于电机系统的高速弱磁运行。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机，其特征在于，包括定子(1)、转子(2)和转轴(3)，所述定子(1)内圈周向间隔均匀分布有电枢齿(4)和容错齿(5)，所述电枢齿(4)上绕有电枢绕组(6)，两相邻的电枢绕组(6)之间由容错齿(5)进行隔离，所述电枢齿(4)的齿宽大于所述容错齿(5)的齿宽，且电枢齿(4)和容错齿(5)的齿顶修平；沿转子(2)的圆周方向间隔均匀布置永磁体(8)和铁心极(9)，所述永磁体(8)采用V型放置组成永磁体(8)对，V型开口朝向气隙；所述永磁体(8)对中间的铁心极为第二铁心极(10)，相邻永磁体(8)对之间的铁心极为第一铁心极(9)，第一铁心极(9)与第二铁心极(10)的边缘均为圆弧面；所述圆弧面与定子齿之间形成空气磁障(11)。
2.根据权利要求1所述的一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机，其特征在于，所述一铁心极(9)与第二铁心极(10)的圆弧面数量之和为ps。
3.根据权利要求1所述的一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机，其特征在于，所述转子(2)极数为ps、所述永磁体(8)极对数为pm、所述第一铁心极(9)极对数为pf，三者之间满足关系：pm+pf＝ps。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机，其特征在于，每个相邻第一铁心极(9)与第二铁心极(10)对应的圆弧度之和等于2π/pm。
5.根据权利要求1所述的一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机，其特征在于，所述第二铁心极(10)圆弧面的圆心与转轴(3)圆心之间的距离为h，所述第二铁心极(10)圆弧面的半径为R1，所述转子(2)的半径为Rr，三者之间满足关系：h+R1＝Rr。
6.根据权利要求1所述的一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机，其特征在于，所述永磁体(8)采用钕铁硼永磁磁钢。
7.根据权利要求1所述的一种考虑位置传感器代偿的车用五相永磁容错电机，其特征在于，所述电枢绕组(6)为单层集中绕组。
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