CN110149016B - 无位置传感器永磁同步电机及转子位置判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型无位置传感器永磁同步电机，包括转子和套设在转子外的定子，转子包括转子磁钢和设置在转子磁钢上的多个永磁体，多个永磁体沿转子的周沿布设，定子上设有绕组，所述转子上设有多个用于辅助产生不均匀电感的凸极，多个凸极沿所述转子的周向布设，所述凸极与永磁体交替设置。本发明只需细微的改变转子磁钢凸台的径向高度即可实现无位置控制，制造工艺简单，易于实现自动化批量生产。本发明可以避免编码器的使用，极大的减少电机系统的生产制造成本。本发明通过电机电信号计算转子信息，得到的转子位置精度可以满足大部分电机使用情况。本发明具有通用性强的优点，不仅可以用于表贴式永磁电机，而且可以用于内嵌式永磁电机。

Description

无位置传感器永磁同步电机及转子位置判断方法

技术领域

本发明涉及一种新型无位置传感器永磁同步电机，以及采用该电机进行转子位置判断的方法。

背景技术

参照图7和图8，传统的永磁体同步电机包括转子和套设在转子外的定子10，转子包括转子磁钢30和设置在转子磁钢30上的多个永磁体40，多个永磁体40沿转子30的周沿布设，定子10上设有绕组20。永磁体电机控制方法通过位置传感器直接检测电机转子位置，但位置传感器的使用使得系统体积增大、成本增加、可靠性降低。因此，无位置传感器的控制技术是目前研究的热点。无位置传感器控制策略通过检测三相绕组中的相关变量估算转子的位置和速度，实现电机的控制。电机无位置传感器的控制大多是通过检测基波反电动势来获得转子的位置信息。该方法原理简单、实施方便，但在低速或静止状态时因反电动势赋值较小或者为零因而无法检测，因此该方法只适用于电机处于高速运行状态。在静止和低速状态下，转子位置的判断方法相对复杂。

鉴于此，本发明人对上述问题进行深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、能够更加方便判断转子位置的无位置传感器永磁同步电机。本发明的另一目的在于提出一种采用该电机进行转子位置判断的方法。

为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：

新型无位置传感器永磁同步电机，包括转子和套设在转子外的定子，转子包括转子磁钢和设置在转子磁钢上的多个永磁体，多个永磁体沿转子的周沿布设，定子上设有绕组，所述转子上设有多个用于辅助产生不均匀电感的凸极，多个凸极沿所述转子的周向布设，所述凸极与永磁体交替设置。

作为本发明的一种优选方式，所述永磁体贴设在所述转子磁钢的外壁上，所述凸极沿所述转子磁钢的轴向延伸且沿所述转子磁钢的径向延伸。

作为本发明的一种优选方式，多个所述凸极采用能够辅助产生不均匀电感的材料。

作为本发明的一种优选方式，做与所述转子磁钢的中心轴线平行的对称中心面，该对称中心面将所述转子磁钢均分成对称的两部分，每部分中有多个所述凸极，多个所述凸极沿径向的厚度递增变化。

作为本发明的另一种优选方式，所述转子磁钢内设有多个容置槽，多个所述永磁体对应装设在容置槽中，容置槽靠近所述转子磁钢的一侧壁设为第一侧壁，所述容置槽中靠近所述转子磁钢的一侧壁为第二侧壁，所述凸极形成在所述转子磁钢的外壁与所述第二侧壁之间。

作为本发明的另一种优选方式，做与所述转子磁钢的中心轴线平行的对称中心面，该对称中心面将所述转子磁钢均分成对称的两部分，每部分中有多个所述凸极，多个所述凸极沿径向的厚度递增变化。

本发明还提出了一种转子位置判断方法，采用新型无位置传感器永磁同步电机，该电机包括转子和套设在转子外的定子，转子包括转子磁钢和设置在转子磁钢上的多个永磁体，多个永磁体沿转子的周沿布设，定子上设有绕组，其特征在于，所述转子上设有多个用于辅助产生不均匀电感的凸极，多个凸极沿所述转子的周向布设，所述凸极与永磁体交替设置，转子位置的判断步骤包括：

步骤1，产生高频电压信号：

u_hf＝U_ampsin(ω_hft)

其中，ω_hf是高频电压信号角速度，U_amp是高频电压幅值，t为时间；

步骤2，注入高频电压信号：

对电机U,V,W三相分别注入高频电压信号；

步骤3，高频电信号检测：

利用电路传感器检测三相电流i_a，i_b，i_c，通过高通滤波的方法取得高频电流信号i_ah，i_bh，i_ch；

步骤4，计算三相电感：

利用一致的高频电压信号u_hf以及高频电流信号i_ah，i_bh，i_ch计算得到三相电感的瞬时值l_a，l_b，l_c；

其中，

步骤5，判断转子位置：

根据所计算得到的三相电感的瞬时值l_a，l_b，l_c，比较电感的变化值，获得当前电机转子的位置信息。

采用本发明的技术方案后，通过凸极结构的设计，使得电机的电感值不对称的周期性变化，可通过检测电机电参数，计算电机三相电感值，获得转子信息，可以精确定位永磁同步电机转子位置，本发明具有结构简单的优点。本发明，在静止和低速状态下，可利用电机的凸极效应即电感随转子位置变化而变化的特性，通过检测径向气隙磁场强度不同带来的绕组电感差异来判断转子的位置。本发明只需细微的改变转子磁钢凸台的径向高度即可实现无位置控制，制造工艺简单，易于实现自动化批量生产。本发明可以避免编码器的使用，极大的减少电机系统的生产制造成本。虽然，本发明需要改变转子结构，使其不对称，然而电机输出特性基本保持不变，不会对电机正常使用造成影响。本发明通过电机电信号计算转子信息，得到的转子位置精度可以满足大部分电机使用情况。本发明具有通用性强的优点，不仅可以用于表贴式永磁电机，而且可以用于内嵌式永磁电机。

附图说明

图1为本发明第一种实施方式的结构示意图；

图2为本发明第一种实施方式对应的电感波形图；

图3为本发明第一种实施方式中转子的结构示意图；

图4为本发明第二种实施方式的结构示意图；

图5为本发明第二种实施方式对应的电感波形图；

图6为本发明第二种实施方式中转子的结构示意图；

图7为现有技术中相永磁体同步电机的结构示意图；

图8为现有技术中相永磁体同步电机对应的电感波形图；

图中：

定子 10 绕组 20

转子磁钢 30 轴孔 31

32-容置槽 第一侧壁 321

第二侧壁 322 永磁体 40

凸极 50

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。

参照图1至图6，新型无位置传感器永磁同步电机，包括转子和套设在转子外的定子10，转子包括转子磁钢30和设置在转子磁钢30上的多个永磁体40，多个永磁体40沿转子的周沿布设，定子10上设有绕组20，在转子的中心设置有轴孔31，轴孔31中安装有驱动轴。这些为永磁体电机中的常见结构，这里不再进行详细描述。

本发明的核心构思在于：所述转子上设有多个用于辅助产生不均匀电感的凸极50，多个凸极50沿所述转子的周向布设，所述凸极50与永磁体 40交替设置，在实施例中，每个一个永磁体40设置一个凸极50，凸极50 沿转子的轴向延伸，凸极50沿转子轴向的长度设为凸极50的长度，凸极50沿转子径向的长度设为凸极50的厚度。

参照图1至图3，作为本发明的一种优选方式，所述永磁体40贴设在所述转子磁钢30的外壁上，所述凸极50沿所述转子磁钢30的轴向延伸且沿所述转子磁钢30的径向延伸。

作为本发明的一种优选方式，多个所述凸极50采用能够辅助产生不均匀电感的材料，在各凸极50的厚度相同的情况下，可以采用不同材料的凸极50，从而产生不均匀的电感。

参照图3，在凸极50材料相同的情况下，则通过凸极50的厚度的变化来产生不均匀的电感。作为本发明的另一种优选方式，做与所述转子磁钢 30的中心轴线平行的对称中心面M，该对称中心面M将所述转子磁钢30均分成对称的两部分，每部分中有多个所述凸极50，在实施例中，每部分有 4个凸极50，多个所述凸极50沿径向的厚度递增变化，在图3中，图中M 右侧的凸极50，依逆时针，四个凸极50的厚度为3.02mm、3.02mm、3.02mm、 6mm，转子的外径在37.2mm。

作为本发明的另一种优选方式，以9齿/8极的内嵌式永磁电机结构为例，所述转子磁钢30内设有多个容置槽32，多个所述永磁体40对应装设在容置槽32中，容置槽32靠近所述转子磁钢30的一侧壁设为第一侧壁321，所述容置槽32中靠近所述转子磁钢30的一侧壁为第二侧壁322，所述凸极 50形成在所述转子磁钢30的外壁与所述第二侧壁322之间。

作为本发明的另一种优选方式，做与所述转子磁钢30的中心轴线平行的对称中心面N，该对称中心面N将所述转子磁钢30均分成对称的两部分，每部分中有多个所述凸极50，在实施例中，每部分各有四个凸极50，多个所述凸极50沿径向的厚度递增变化，在图6中，图中M右侧的凸极50，依逆时针，四个凸极50的厚度依次为0.45mm、0.42mm、0.41mm以及0.4mm。

本发明还提出了一种转子位置判断方法，采用上述介绍的永磁体同步电机，转子位置的判断步骤包括：

步骤1，产生高频电压信号：

u_hf＝U_ampsin(ω_hft)

其中，ω_hf是高频电压信号角速度，U_amp是高频电压幅值，t为时间；

步骤2，注入高频电压信号：

对电机U,V,W三相分别注入高频电压信号；

步骤3，高频电信号检测：

利用电路传感器检测三相电流i_a，i_b，i_c，通过高通滤波的方法取得高频电流信号i_ah，i_bh，i_ch；步骤4，计算三相电感：

利用一致的高频电压信号u_hf以及高频电流信号i_ah，i_bh，i_ch计算得到三相电感的瞬时值l_a，l_b，l_c；

步骤5，判断转子位置：

根据所计算得到的三相电感的瞬时值l_a，l_b，l_c，比较电感的变化值，获得当前电机转子的位置信息。

本发明的产品形式并非限于本案图示和实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (2)

1.无位置传感器永磁同步电机，包括转子和套设在转子外的定子，转子包括转子磁钢和设置在转子磁钢上的多个永磁体，多个永磁体沿转子的周沿布设，定子上设有绕组，其特征在于：所述转子上设有多个用于辅助产生不均匀电感的凸极，多个凸极沿所述转子的周向布设，所述凸极与永磁体交替设置，所述永磁体贴设在所述转子磁钢的外壁上，所述凸极沿所述转子磁钢的轴向延伸且沿所述转子磁钢的径向延伸，多个所述凸极采用能够辅助产生不均匀电感的材料，做与所述转子磁钢的中心轴线平行的对称中心面，该对称中心面将所述转子磁钢均分成对称的两部分，每部分中有多个所述凸极，多个所述凸极沿径向的厚度递增变化。

2.一种转子位置判断方法，采用新型无位置传感器永磁同步电机，该电机包括转子和套设在转子外的定子，转子包括转子磁钢和设置在转子磁钢上的多个永磁体，多个永磁体沿转子的周沿布设，定子上设有绕组，其特征在于，所述转子上设有多个用于辅助产生不均匀电感的凸极，多个凸极沿所述转子的周向布设，所述凸极与永磁体交替设置，所述永磁体贴设在所述转子磁钢的外壁上，所述凸极沿所述转子磁钢的轴向延伸且沿所述转子磁钢的径向延伸，多个所述凸极采用能够辅助产生不均匀电感的材料，做与所述转子磁钢的中心轴线平行的对称中心面，该对称中心面将所述转子磁钢均分成对称的两部分，每部分中有多个所述凸极，多个所述凸极沿径向的厚度递增变化，转子位置的判断步骤包括：

步骤1，产生高频电压信号：

u_hf＝U_ampsin(ω_hft)

其中，ω_hf是高频电压信号角速度，U_amp是高频电压幅值，t为时间；

步骤2，注入高频电压信号：

对电机U,V,W三相分别注入高频电压信号；

步骤3，高频电信号检测：

利用电路传感器检测三相电流i_a，i_b，i_c，通过高通滤波的方法取得高频电流信号i_ah，i_bh，i_ch；

步骤4，计算三相电感：

利用一致的高频电压信号u_hf以及高频电流信号i_ah，i_bh，i_ch计算得到三相电感的瞬时值l_a，l_b，l_c；

其中，

步骤5，判断转子位置：

根据所计算得到的三相电感的瞬时值l_a，l_b，l_c，比较电感的变化值，获得当前电机转子的位置信息。

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