CN110289726A - 一种基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器及控制方法 - Google Patents

一种基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器及控制方法，包括惯容器本体、重复式单相永磁同步电机、外部电路；惯容器本体包括滚珠丝杠、螺母，螺母与滚珠丝杠螺纹配合；重复式单相永磁同步电机包括转子、定子、电枢绕组，电枢绕组的同相的绕线一端在电机内部短接，另一端通过端子接出，与外界电路相连接；转子设置在螺母上，电枢绕组设置在定子上；滚珠丝杠直线运动驱动螺母上的转子旋转，转子旋转时依次切割定子线圈，电枢绕组在转子旋转时产生感应电动势，感应电动势作用于外部电路。本发明的技术方案解决了现有的直流电机寿命有限、维护量大、功率密度低，可调参数有限，不能使得机电惯容器惯容值快速变换以满足日益增加的对半主动控制的需求。

Description

一种基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器及控制方法
技术领域
本发明涉及结构减振器件技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器及控制方法。
背景技术
2002年Malcolm C.Smith教授在第二类机电类比下(力-电流相似)，提出了惯容器的概念。它是一种双端质量元件，通过力的放大机构将其两端子的相对直线运动转化为飞轮的旋转运动，进而利用飞轮储能获得了大的惯质，即惯容器实现了比其自身质量大得多的“虚质量”，十分适合应用于交通工具与土木结构的减振控制。
目前各类惯容器的主体均为机械结构，蓄能元件以旋转飞轮为主，受机械结构自身特性的限制，各类惯容器的惯质-质量比一直没有大的突破。针对这一问题，国防科技大学的李迪等提出了机电惯容器的概念，并通过将机械网络传递函数与电网络传递函数对比的方式，得到了机电惯容器负载配置的形式。由于机电惯容器可以将动能转换为电容中的电能进行存储，极大地增加了惯容值，其惯质比可以达到同质量机械惯容器的5倍以上。得益于电子元件可靠、易更换、成本低等特点，机电惯容器无论是性能、可靠性还是可维护性都较传统机械式惯容器有了较大的提升。但直流电机具有寿命有限、维护量大、功率密度低等缺点，且其可调参数有限，不能使得机电惯容器惯容值快速变换以满足日益增加的对半主动控制的需求。以上缺点极大限制了基于直流电机的机电惯容器的发展。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器及控制方法。重复式单相永磁同步电机是对传统永磁同步电机的接线方式进行改造而得到的。它在工作时，既有传统直流电机的线性特性，又具有永磁同步电机功率密度大的优点，其可调参数多，可以实现惯容的大范围连续调节，但需要与之相适应的电力电子变流器的控制，本发明设计了一种基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器，并给出了一种与之相适应的基于位置反馈的电力电子变流器控制策略对其进行控制。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器，包括惯容器本体、重复式单相永磁同步电机、与所述重复式单相永磁同步电机连接的外部电路；
所述惯容器本体包括滚珠丝杠、螺母，所述螺母与滚珠丝杠螺纹配合；
所述重复式单相永磁同步电机包括转子、定子、电枢绕组，所述电枢绕组的同相的绕线一端在电机内部短接，另一端通过端子接出，与外界电路相连接；所述转子连接滚珠丝杠一端，所述电枢绕组设置在定子上；当作用力作用到螺母上时，所述螺母做直线运动驱动所述滚珠丝杠旋转，进而带动转子旋转，所述转子旋转时依次切割定子线圈，所述电枢绕组在转子旋转时产生感应电动势，所述感应电动势作用于外部电路。
进一步地，所述外部电路包括电力电子开关组和H桥翻转电路；所述电枢绕组通过端口连接所述电力电子开关组；所述电力电子开关组控制H桥翻转电路。
进一步地，所述转子的转轴上连接位置传感器，检测转子位置，根据转子位置控制电力电子开关组开通或关断对应的电力电子开关以实现电机的控制。
进一步地，所述转子为极对数个磁极，将电机各相分成极数个扇区，每个扇区内的各绕线通过所述H桥翻转电路连接电容的第一极板或第二极板。
本发明还提供了一种与上述惯容器相适应的基于位置反馈的电力电子变流器控制方法，包括如下步骤：
步骤1：根据定子开槽数确定开关组开关的个数，理想开槽数为15-20电角度/槽，每槽绕组及与其相隔180电角度(具有相同标号)的绕组作为一相；
步骤2：检测转子角度，判断开关通断；假设电机有N相，若磁极中心与某相中心夹角的绝对值小于90/N°则该相对应的开关开通，其余开关关断；其数学表达式为：
其中|θsn-θr|表示转子磁极与第N相绕组夹角的绝对值，ζn表示开关变量，ζn＝1表示开关导通，ζn＝0表示开关关断；
步骤3：根据转子的极对数个磁极将电机分成极数个扇区，当各个扇区对应的磁极翻转时，所述H桥翻转电路的状态也发生翻转，进而使电容接入电路的极性翻转。
较现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明实现了永磁同步电机在机电惯容器领域的首次应用。基于永磁同步电机的机电惯容器将拥有更高的惯质比以及能够在很大的数值范围内进行连续的惯容值调节。
综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中的直流电机具有寿命有限、维护量大、功率密度低等缺点，且其可调参数有限，不能使得机电惯容器惯容值快速变换以满足日益增加的对半主动控制的需求问题。
基于上述理由本发明可在结构减振器件等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器总体结构图。
图2为本发明机电惯容器连接关系示意图。
图3为本发明重复式单相永磁同步电机尾部接线示意图。
图4为本发明实施例提供的传统永磁同步电机(9槽8极三相)内部接线图。
图5为本发明方法电机通断规则示意图。
图6为本发明电机外部接线及整体结构图。
图7为本发明实施例提供的外力在5Hz时的力-加速度仿真曲线。
图8为本发明实施例提供的容值-惯质特性曲线。
图中：1、惯容器本体；11、滚珠丝杠；12、螺母；2、重复式单相永磁同步电机；21、转子；22、定子；23、位置传感器；24、电机外壳；3、外部电路；31、电力电子开关组；32、第一极板；33、第二极板；34、电容；35、H桥翻转电路。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器，包括惯容器本体1、重复式单相永磁同步电机2、与重复式单相永磁同步电机连接的外部电路3；惯容器本体包括滚珠丝杠11、螺母12，螺母12与滚珠丝杠11螺纹配合；如图3所示，重复式单相永磁同步电机2包括转子21、定子22、电枢绕组，电枢绕组的同相的绕线一端在电机内部短接，另一端通过端子接出，与外界电路3相连接；转子连接滚珠丝杠一端，电枢绕组设置在定子上；当作用力作用到螺母上时，螺母做直线运动驱动滚珠丝杠旋转，进而带动转子旋转，转子21旋转时依次切割定子22线圈，电枢绕组在转子21旋转时产生感应电动势，感应电动势作用于外部电路3。如图6所示，外部电路3包括电力电子开关组31和H桥翻转电路35；电枢绕组通过端口连接电力电子开关组31；电力电子开关组31控制H桥翻转电路35。转子21为极对数个磁极，将电机各相分成极数个扇区，每个扇区内的各绕线通过H桥翻转电路35连接电容的第一极板32或第二极板33。同时，如图3所示，转子21的转轴上连接位置传感器23，检测转子21位置，根据转子21位置控制电力电子开关组31开通或关断对应的电力电子开关以实现电机的控制。
本发明提供的基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器，其基本工作过程为：外部振动使得滚珠丝杠螺母运动，带动电枢旋转时，电枢绕组切割磁感线,切割磁感线会产生阻碍电枢转动的阻尼力矩，同时会产生电能储存在电机的储能元件中，这一过程实际上增大了惯容器的惯质。而电机负载的作用则是通过控制阻力与速度的相位关系进而控制阻力的性质(阻尼力或惯性力)。如图2、3所示，本发明提供的基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器与传统永磁同步电机的区别：
(1)具有更多电机定子开槽数以及相数；
(2)尾部绕线方式为：同相的绕线一端在电机内部短接，另一端通过端子接出，与外界电路相连接。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明还提供了一种与上述惯容器相适应的基于位置反馈的电力电子变流器控制方法，包括如下步骤：
步骤1：根据定子22开槽数确定开关组开关的个数，理想开槽数为15-20电角度/槽，每槽绕组及与其相隔180电角度(具有相同标号)的绕组作为一相；
步骤2：检测转子21角度，判断开关通断；假设电机有N相，若磁极中心与某相中心夹角的绝对值小于90/N°则该相对应的开关开通，其余开关关断；其数学表达式为：
其中|θsn-θr|表示转子磁极与第N相绕组夹角的绝对值，ζn表示开关变量，ζn＝1表示开关导通，ζn＝0表示开关关断；
本实施例中，以开槽数为20电角度/槽为例，通断规则为，记电机轴线与线槽轴线为0°，当电机转子转动到-10°时，该相对应IGBT开通；当电机转子转动到10°时，该相关断。其数学表达式表示为：
其中|θsn-θr|表示转子磁极与第n相绕组夹角的绝对值。ζn则表示开关变量，ζn＝1表示开关导通，ζn＝0表示开关关断。其通断规则示意图如附图3所示。
步骤3：根据转子21的极对数个磁极将电机分成极数个扇区，以图2为例，电机转子是两对磁极，即四个磁极，则将电机空间分为四个扇区，当各个扇区对应的磁极翻转时，所述H桥翻转电路的状态也发生翻转，进而使电容(34)接入电路的极性翻转，其整体结构如附图4所示。
本实施例中，根据开关调制规则，每一时刻每一组磁极只有与转子磁极中心重合度最高的一相绕组才会导通，其它绕组则不会导通。对于没有导通的相，可以称之为“非工作相”，非工作相只会产生感应电动势而不产生感应电流，也不会产生反力矩。以电机逆时针旋转为例，对于工作相，其逆时针通过工作区域后开关关断，变为非工作相；其右侧的非工作相进入工作区后，开关导通，成为工作相。对于不同时刻两个工作相，虽然在定子中的位置不同，但是在工作时完全等效：顺时针通过工作区域，规则见图4。因此，虽然有不同相依次工作，但都等效于只有一相在工作区域反复通过。根据电磁感应定律，无论哪相工作其空载感应电动势的表达式均为：
E(s)＝Blcos(θsn-θr)rω(s) (2)
从表达式中可以看出，空载电动势只与“工作相”与磁极中线的夹角有关，而与各相的空间位置无关。进一步地，随着相数增多，|θsn-θr|将会逐渐减小。当|θsn-θr|<10°时，可以认为cos(θsn-θr)≈1因此，理论上可以认为“磁场大小将完全与位置无关”，空载电动势也就只是速度v的函数，而不受位置影响；可见，“重复式单相永磁同步电机”的电机转子虽然不断旋转，但是磁场与“工作相”的相对位置却近似保持不变，具有与直流发电机的“伪静止场”相类似的效果。
由永磁同步电机的感应电动势，电流方程，可以推导出该电机的感应电动势、转矩方程为：
T(s)＝ψcos(θsn-θr)is(s) (4)
结合直流电机机电惯容器的推导过程，即可得到本重复式单相永磁同步电机的惯容值的表达式为：
本发明实现了永磁同步电机在机电惯容器领域的首次应用。基于永磁同步电机的机电惯容器将拥有更高的惯质比以及能够进行大范围连续的惯容值调节。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器，其特征在于，包括惯容器本体(1)、重复式单相永磁同步电机(2)、与所述重复式单相永磁同步电机连接的外部电路(3)；
所述惯容器本体包括滚珠丝杠(11)、螺母(12)，所述螺母(12)与滚珠丝杠(11)螺纹配合；
所述重复式单相永磁同步电机(2)包括转子(21)、定子(22)、电枢绕组，所述电枢绕组的同相的绕线一端在电机内部短接，另一端通过端子接出，与外界电路(3)相连接；所述转子(21)连接滚珠丝杠(11)一端，所述电枢绕组设置在定子(22)上；当作用力作用到螺母(12)上时，所述螺母(12)做直线运动驱动所述滚珠丝杠(11)旋转，进而带动转子(21)旋转，所述转子(21)旋转时依次切割定子(22)线圈，所述电枢绕组在转子(21)旋转时产生感应电动势，所述感应电动势作用于外部电路(3)。
2.根据权利要求1所述的基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器，其特征在于，所述外部电路(3)包括电力电子开关组(31)和H桥翻转电路(35)；所述电枢绕组通过端口连接所述电力电子开关组(31)；所述电力电子开关组(31)控制H桥翻转电路(35)。
3.根据权利要求1所述的基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器，其特征在于，所述转子(21)的转轴上连接位置传感器(23)，检测转子(21)位置，根据转子(21)位置控制电力电子开关组(31)开通或关断对应的电力电子开关以实现电机的控制。
4.根据权利要求1或3所述的基于重复式单相永磁同步电机的机电惯容器，其特征在于，所述转子(21)为极对数个磁极，将电机各相分成极数个扇区，每个扇区内的各绕线通过所述H桥翻转电路(35)连接电容的第一极板(32)或第二极板(33)。
5.一种与权利要求1所述惯容器相适应的基于位置反馈的电力电子变流器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据定子(22)开槽数确定开关组开关的个数，理想开槽数为15-20电角度/槽，每槽绕组及与其相隔180电角度(具有相同标号)的绕组作为一相；
步骤2：检测转子(21)角度，判断开关通断；假设电机有N相，若磁极中心与某相中心夹角的绝对值小于90/N°则该相对应的开关开通，其余开关关断；其数学表达式为：
其中|θsn-θr|表示转子磁极与第N相绕组夹角的绝对值，ζn表示开关变量，ζn＝1表示开关导通，ζn＝0表示开关关断；
步骤3：根据转子(21)的极对数个磁极将电机分成极数个扇区，当各个扇区对应的磁极翻转时，所述H桥翻转电路的状态也发生翻转，进而使电容(34)接入电路的极性翻转。
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CN115199691A (zh) * 2022-08-15 2022-10-18 重庆交通大学 基于同轴磁性齿轮的大惯质比惯容器
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