CN110994931A - 一种低脉动转矩开关磁阻电动机及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低脉动转矩开关磁阻电动机及其驱动方法。开关磁阻电动机由于工作原理所致，电动机的输出转矩中存在明显的脉动转矩。本发明包括机座、定子铁心、第一绕组、第二绕组、转子铁心和转轴。所述的转轴支承在机座内。所述的定子铁心固定于机座的内侧。转子铁心固定在转轴上，且位于定子铁心的内侧。定子铁心的六个齿槽上绕置有第一绕组和第二绕组。第一绕组和第二绕组均为对称三相绕组。本发明中的第一绕组及第二绕组分别作用于转子铁心产生的电磁平均转矩和脉动转矩，二个平均转矩方向相同叠加输出驱动负载，二个脉动转矩相位相差180°电角度，幅值接近，因此，叠加后可以有效地实现抵消抑制，从而达到有效降低脉动转矩的目的。

Description

一种低脉动转矩开关磁阻电动机及其驱动方法
技术领域
本发明属于开关磁阻电动机技术领域，具体涉及一种低脉动转矩开关磁阻电动机及其驱动方法。
背景技术
开关磁阻电动作为一种基于磁阻力矩的调速电动机，由于其具有结构简单坚固、调速方便、运行可靠、高效等特点，已广泛应用于矿山、油田、纺织、汽车等领域。但目前的开关磁阻电动机由于工作原理所致，电动机的输出转矩中存在明显的脉动转矩。脉动转矩的波形与正弦波相似，具体如图1所示。严重时脉动转矩可达到额定转矩的25％左右，因此，电动机运行时会产生明显的振动与噪声，影响到该电动机在其他领域的进一步广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低脉动转矩开关磁阻电动机及其驱动方法。
本发明一种低脉动转矩的开关磁阻电动机，包括机座、定子铁心、第一绕组、第二绕组、转子铁心和转轴。所述的转轴支承在机座内。所述的定子铁心固定于机座的内侧。转子铁心固定在转轴上，且位于定子铁心的内侧。定子铁心的6n个齿槽上绕置有第一绕组和第二绕组。第一绕组和第二绕组均为对称三相绕组。n为定子铁心的极对数。
作为优选，本发明一种低脉动转矩开关磁阻电动机还包括前端盖、前端盖轴承、后端盖轴承和后端盖。所述前端盖、后端盖与机座的两端分别固定。前端盖轴承、后端盖轴承的外圈分别嵌入前端盖、后端盖的内侧面中部。转轴的两端分别嵌入前端盖轴承、后端盖轴承的内圈。
作为优选，本发明一种低脉动转矩开关磁阻电动机还包括位置传感器。所述的位置传感器包括光栅盘和光电传感器。光栅盘与转轴固定。光栅盘上设置有两圈光栅轨迹。两圈光栅轨迹的中心轴线均与转轴的轴线重合；两圈光栅轨迹沿转轴的周向错开
Figure BDA0002303162990000011
机械角。两个光电传感器均与后端盖固定，且与光栅盘上的两圈光栅轨迹分别配合，当光栅旋转时两个传感器输出相差
Figure BDA0002303162990000012
机械角的转子位置信号。n为定子铁心及转子铁心的极对数。
作为优选，本发明一种低脉动转矩开关磁阻电动机还包括冷却风扇和风扇罩。所述的风扇罩与机座的后端固定。冷却风扇设置在风扇罩内，且与转轴固定。
作为优选，定子铁心与转子铁心的齿槽比为6n:4n。
低脉动转矩开关磁阻电动机的驱动方法具体如下：
定子铁心的6n个齿槽为n个齿槽组；一个齿槽组由6个齿槽组成；将一个齿槽组内的6个齿槽分别为A齿、B齿、C齿、a齿、b齿、c齿。A齿与a齿相对设置为A相；B齿与b齿相对设置为B相；C齿与c齿相对设置为C相。相对设置的两个齿上绕置二组参数相同的绕组。
n组第一绕组内的三相绕组按照A-B-C-A或A-C-B-A三相单三拍的节拍通断电。n组第二绕组内的三相绕组按照AB-BC-CA-AB或CA－CB－BA－CA三相双三拍的节拍通断电。第一绕组的通断电周期与第二绕组的通断电周期相等，且第二绕组的通断电比第一绕组的通断电滞后60°电角度。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明提出的低脉动转矩开关磁阻电动机结构，在现有普通开关磁阻电动机结构的基础上，把原来的一组三相对称绕组改成二组参数相同的三相对称绕组，对于原单组绕组的同功率的开关磁阻电动机，改进后的每组绕组所承担的电功率为原来的二分之一，电机的输出功率不变，电机的总体结构形式不变。
2、本发明由于采用了第一绕组在控制器的控制下与转子铁心实现A-B-C-A(或A-C-B-A)三相单三拍控制，第二绕组在控制器的控制下与转子铁心实现AB-BC-CA-AB(或CA－CB－BA－CA)三相双三拍控制，第一绕组及第二绕组分别作用于转子铁心产生电磁脉动转矩，二个脉动转矩相位相差180°电角度，幅值接近，因此，可以有效地实现抵消抑制，从而达到有效降低脉动转矩的目的。
3、本发明由于采用了第一绕组在控制器的控制下与转子铁心实现A-B-C-A(或A-C-B-A)三相单三拍控制，第二绕组在控制器的控制下与转子铁心实现AB-BC-CA-AB(或CA－CB－BA－CA)三相双三拍控制，第一绕组及第二绕组分别作用于转子铁心产生的电磁转矩幅值相同、旋转方向相同，二个输出转矩合成对外输出驱动负载。
4、本发明由于采用了二组绕组分别控制，所以，控制器主电路会增加器件，对于小功率电动机控制系统会增加成本，但对于中大功率的开关磁阻电动机调速系统则会带来益处，一方面由于降低了单位大功率器件的容量，使控制器实现容易；另一方面器件总成本反而下降；而且，由于该开关磁阻电动机系统是单电机双驱动系统，更容易开发比现在更大容量的开关磁阻电动机系统。
5、本发明实施例1以三相对称，二极，定子、转子铁心齿槽比为6：4为例，该技术对于三相对称，2n极(n为自然数)开关磁阻电动机同样适用，同样可以实现抑制脉动转矩的目的。
附图说明
图1是常规开关磁阻电动机脉动转矩实测波形图；
图2是本发明实施例1的结构示意图；
图3是本发明实施例1中定子铁心、第一绕组、第二绕组、转子铁心的组合示意图(同时是第一绕组独立工作时电机的稳定运行点状态图)；
图4是本发明中第二绕组独立工作时电机的稳定运行点状态图；
图5(a)是本发明中第二绕组独立工作时转子铁心受到的转矩合成相量图；
图5(b)是本发明中第一绕组、第二绕组共同工作时转子铁心受到的波形合成相量图；
图6是本发明的脉动转矩抑制原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图2、3和4所示，一种低脉动转矩的开关磁阻电动机，包括定子铁心1、第一绕组2、第二绕组3、转子铁心4、转轴5、前端盖6、前端盖轴承7、机座8、后端盖轴承9、后端盖10、位置传感器11、冷却风扇12、风扇罩13和调速控制系统。前端盖6、后端盖10与机座8的两端分别固定。前端盖轴承7、后端盖轴承9的外圈分别嵌入前端盖6、后端盖10的内侧面中部。转轴5的两端分别嵌入前端盖轴承7、后端盖轴承9的内圈。定子铁心1固定于机座8的内侧。转子铁心4固定在转轴5上，且位于定子铁心1的内侧。转子铁心相对于定子铁心可作旋转运行。定子铁心1与转子铁心4的齿槽比(即定子转子铁心齿数比)为6:4，形成三相对称、二极的电动机。
定子铁心1的六个齿槽上绕置有第一绕组2和第二绕组3。第一绕组2和第二绕组3均为对称三相绕组，且参数相同。将定子铁心1的六个齿槽分别定义为A齿、B齿、C齿、a齿、b齿、c齿。A齿与a齿相对设置；B齿与b齿相对设置；C齿与c齿相对设置。相对设置的两个齿上绕置同一相绕组。定子铁心1的极对数均为1。
位置传感器11设置在后端盖10的外侧。位置传感器11包括光栅盘和光电传感器。光栅盘与转轴5固定。光栅盘上设置有两圈光栅轨迹。两圈光栅轨迹的中心轴线均与转轴的轴线重合；两圈光栅轨迹沿转轴的周向错开60°电角度(机械角为15°，以下相同)。两个光电传感器均与后端盖10固定，且分别朝向光栅盘上的两圈光栅轨迹。两个光电传感器的信号输出接口与调速控制系统连接。由于两圈光栅轨迹错开60°电角度，故两个光电传感器输出信号也相差60°电角度。
调速控制系统用于开关磁阻电动机的调速控制。风扇罩13与机座8的后端固定。冷却风扇12设置在风扇罩13内，且与转轴固定。第一绕组2的三相绕组与调速控制系统内的第一电机驱动器的电机控制接口连接；第二绕组3的三相绕组与调速控制系统内的第二电机驱动器的电机控制接口连接。该低脉动转矩开关磁阻电动机的制备过程如下：
先分别加工好定子铁心1、第一绕组2、第二绕组3、转子铁心4、转轴5、前端盖6、前端盖轴承7、机座8、后端盖轴承9、后端盖10、位置传感器11、冷却风扇12和风扇罩13。
然后进行安装装配，具体如下：将第一绕组2及第二绕组3分别安装在定子铁心1齿槽内，将装有绕组的定子固定安装于机座8内；将转子铁心4固定安装在转轴5上；将前端盖轴承7和后端盖轴承9分别嵌入前端盖6、后端盖10。将转轴5插入前端盖轴承7和后端盖轴承9；把转子铁心放入定子铁心内。将前端盖6及后端盖10与机座固定，固定后转子铁心可相对于定子旋转；把位置传感器11的感应部分(光栅盘)与转轴固定，把位置传感器的信号接收部分(光电传感器)与后端盖10固定，并引出位置信号线；将冷却风扇12与转轴固定。最后用风扇罩13罩住冷却风扇12后，固定在机座8的后端。至此，即完成了电动机的安装。然后将电动机与控制系统连接供电，低脉动转矩的开关磁阻电动机即可运行。
以极对数n＝1的开关磁阻电动机为例，本发明低脉动转矩开关磁阻电动机的驱动方法具体如下：
调速控制系统通过第一电机驱动器控制第一绕组2按照A-B-C-A或A-C-B-A三相单三拍的节拍通断电。调速控制系统通过第二电机驱动器控制第二绕组2按照AB-BC-CA-AB或CA－CB－BA－CA三相双三拍的节拍通断电。第一绕组的通断电周期与第二绕组的通断电周期相等，且第二绕组的通断电比第一绕组的通断电滞后60°电角度。由于两个光电传感器输出信号也相差60°电角度，故根据两个光电传感器输出的信号，分别对第一绕组2和第二绕组3进行控制即可实现“第二绕组的通断电比第一绕组的通断电滞后60°电角度”的控制要求。
以第一绕组2按照A-B-C-A的节拍通断电，第二绕组3按照AB-BC-CA-AB的节拍通断电为例，具体的控制过程如下：
步骤一、调速控制系统控制第一绕组2内的A相绕组通电。
步骤二、自第一绕组2内的A相绕组通电时刻起，转轴转过15°空间角后，调速控制系统控制第二绕组3内的A相绕组以及B相绕组通电。
步骤三、自第二绕组3内的A相绕组以及B相绕组通电时刻起，转轴转过15°空间角后，调速控制系统控制第一绕组2内的B相绕组通电。
步骤四、自第一绕组2内的B相绕组通电时刻起，转轴转过15°空间角后，调速控制系统控制第二绕组3内的B、C相通电。
步骤五、自第二绕组3内的B、C相绕组通电时刻起，转轴转过15°空间角后，调速控制系统控制第一绕组2内的C相绕组通电。
步骤六、自第一绕组2内的C相绕组通电时刻起，转轴转过15°空间角后，调速控制系统控制第二绕组3内的C、A相通电。
步骤七、自第二绕组3内的C、A相绕组通电时刻起，转轴转过15°空间角后，调速控制系统控制第一绕组2内的A相绕组通电。
步骤八、自第一绕组2内的A相绕组通电时刻起，转轴转过15°空间角后，调速控制系统控制第二绕组3内的A、B相绕组通电。
步骤九、自第二绕组3内的A、B相绕组通电时刻起，转轴转过15°空间角后，调速控制系统控制第一绕组2内B相绕组通电。
步骤十、持续步骤四至至九。
各绕组导通的导通电角度由控制器根据不同负载自动调节，最大不超过120°电角度。
控制过程中，第一绕组2和第二绕组3均对转子铁心4产生平均转矩和脉动转矩。第一绕组2和第二绕组3对转子铁心4产生的平均转矩叠加对外输出，脉动转矩叠加对外输出。
由于第一绕组2与第二绕组3参数相同，三相对称；第二绕组3在运行时的转矩合成相量图如图5(a)所示，波形合成如图5(b)所示，(图示为AB节拍的状态，
Figure BDA0002303162990000051
为第二绕组3对转子铁心4产生的平均转矩)；从图5(a)和5(b)可以看出，分别实现三相单三拍控制和三相双三拍控制时，电磁作用在转子铁心上产生的平均转矩相同，即
Figure BDA0002303162990000052
旋转方向相同叠加输出。在相位上，
Figure BDA0002303162990000061
滞后于
Figure BDA0002303162990000062
60°电角度；对于极对数n等于1的开关磁阻电动机而言，转子一个齿距对应的角度从空间机械角度而言是90°，从电角度而言是n×360°，电角度是空间角度的4倍，因此，60°电角度对应于空间角为
Figure BDA0002303162990000063
电机旋转一周要经过4个转子齿距，每组绕组要换相12次，因此，产生的脉动转矩频率是磁场基波的12倍，经过的电角度是空间角度的12倍，二组绕组错开60°电角度即相当于对应于空间角15°，15°空间角对应于脉动转矩电角度恰好为12*15°＝180°，因此，相当于第一绕组2与第二绕组3产生的脉动转矩相位相差180°电角度；由于脉动转矩的波形接近于正弦波；如图6所示，两个相位相差180°的正弦波叠加后相互抵消；故第一绕组2与第二绕组3产生的脉动转矩实现相互抑制，故可以有效降低脉动转矩。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：定子铁心1及转子铁心4的极对数为n；n不限定为1。定子铁心1与转子铁心4的齿槽比(即定子转子铁心齿数比)为6n:4n。定子铁心1上共有6n个齿槽。6n个齿槽以六个为一组，分为n个齿槽组。同一齿槽组内的六个齿槽均沿着定子铁心1中心轴线的周向均布。n个齿槽组沿着定子铁心1中心轴线的周向依次错开
Figure BDA0002303162990000064
定子铁心1的n个齿槽组上均绕置有第一绕组2和第二绕组3。第一绕组2和第二绕组3均为对称三相绕组，且参数相同。将同一组内的6个齿槽分别定义为A齿、B齿、C齿、a齿、b齿、c齿。A齿与a齿为同一相，设置互差180°/n机械角(即180°电角度)；B齿与b齿为同一相，设置互差180°/n机械角(即180°电角度)；C齿与c齿为同一相，设置互差180°/n机械角(即180°电角度)。
定子铁心1的n个第一绕组2内三相绕组分别并联或串联(即n个第一绕组2中的A相绕组并联或串联在一起，B相绕组并联或串联在一起，C相绕组并联或串联在一起)。

Claims (6)

1.一种低脉动转矩开关磁阻电动机，包括机座、定子铁心、第一绕组、第二绕组、转子铁心和转轴；其特征在于：所述的转轴支承在机座内；所述的定子铁心固定于机座的内侧；转子铁心固定在转轴上，且位于定子铁心的内侧；定子铁心的6n个齿槽上绕置有第一绕组和第二绕组；第一绕组和第二绕组均为对称三相绕组，n为定子铁心及转子铁心的极对数。
2.根据权利要求1所述的一种低脉动转矩开关磁阻电动机，其特征在于：还包括前端盖、前端盖轴承、后端盖轴承和后端盖；所述前端盖、后端盖与机座的两端分别固定；前端盖轴承、后端盖轴承的外圈分别嵌入前端盖、后端盖的内侧面中部；转轴的两端分别嵌入前端盖轴承、后端盖轴承的内圈。
3.根据权利要求1所述的一种低脉动转矩开关磁阻电动机，其特征在于：还包括位置传感器；所述的位置传感器包括光栅盘和光电传感器；光栅盘与转轴固定；光栅盘上设置有两圈光栅轨迹；两圈光栅轨迹的中心轴线均与转轴的轴线重合；两圈光栅轨迹沿转轴的周向错开
Figure FDA0002303162980000011
空间角；两个光电传感器均与后端盖固定，且与光栅盘上的两圈光栅轨迹分别配合。
4.根据权利要求1所述的一种低脉动转矩开关磁阻电动机，其特征在于：本发明一种低脉动转矩开关磁阻电动机还包括冷却风扇和风扇罩；所述的风扇罩与机座的后端固定；冷却风扇设置在风扇罩内，且与转轴固定。
5.根据权利要求1所述的一种低脉动转矩开关磁阻电动机，其特征在于：定子铁心与转子铁心的齿槽比为6n:4n。
6.如权利要求1所述的一种低脉动转矩开关磁阻电动机的驱动方法，其特征在于：定子铁心的6n个齿槽为n个齿槽组；一个齿槽组由6个齿槽组成；将一个齿槽组内的6个齿槽分别为A齿、B齿、C齿、a齿、b齿、c齿；A齿与a齿相对设置；B齿与b齿相对设置；C齿与c齿相对设置；相对设置的两个齿上绕置同一相绕组；
n组第一绕组内的三相绕组按照A-B-C-A或A-C-B-A三相单三拍的节拍通断电；n组第二绕组内的三相绕组按照AB-BC-CA-AB或CA－CB－BA－CA三相双三拍的节拍通断电；第一绕组的通断电周期与第二绕组的通断电周期相等，且第二绕组的通断电比第一绕组的通断电滞后60°电角度。
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